PRZYDATNOŚĆ WĘGLA AKTYWNEGO W OCZYSZCZANIU WODY

Węgiel aktywny w ochronie środowiska i przemyśle (2006)
LIDIA DĄBROWSKA, ELŻBIETA SPERCZYŃSKA
Politechnika Częstochowska, Katedra Chemii, Technologii Wody i Ścieków
ul. Dąbrowskiego 69, 42-200 Częstochowa
PRZYDATNOŚĆ WĘGLA AKTYWNEGO
W OCZYSZCZANIU WODY POWIERZCHNIOWEJ
Z ZASTOSOWANIEM KOAGULACJI
Badania prowadzono w kierunku oceny przydatności węgli aktywnych do wspomagania procesu koagulacji w usuwaniu wybranych zanieczyszczeń z wód powierzchniowych. Zastosowano dwa koagulanty: siarczan glinu i wstępnie zhydrolizowany
chlorek poliglinu (PAX-XL1) oraz węgiel aktywny pylisty: CWZ-30 i AKPA-22.
Analizowano efekty obniżenia mętności, barwy, ogólnego węgla organicznego i stężenia jonów metali ciężkich (Zn, Cu, Ni) w próbkach wody z rzeki Warty. Wspomaganie koagulacji z zastosowaniem PAX dało lepsze efekty usuwania zanieczyszczeń
z wody niż w przypadku siarczanu glinu. Zmniejszenie barwy o 87% i mętności
o 91% uzyskano, wprowadzając CWZ-30 po PAX, a nieco gorsze dla węgla AKPA-22
(75 i 89%). Uzyskane obniżenie stężenia cynku wyniosło 77%, a miedzi 86%. Stosując
siarczan glinu efekty obniżenia barwy i mętności (odpowiednio o 78 i 91%)
uzyskano dla obu węgli w kolejności dawkowania: węgiel - koagulant.
SŁOWA KLUCZOWE: oczyszczanie wody, koagulacja, adsorpcja, węgiel pylisty
WPROWADZENIE
Wykorzystanie węgli aktywnych w technologii oczyszczania wody jest coraz
bardziej rozpowszechnione w naszym kraju. Uwzględniając wymagania dotyczące
jakości wody do picia, jak i wód przeznaczonych do uzdatniania należy się spodziewać, że tendencja ta będzie wzrastać [1].
W sytuacjach awaryjnych i/lub tam, gdzie mikrozanieczyszczenia występują
okresowo, zastosowanie pylistego węgla aktywnego - PWA jest nie tylko ekonomicznie uzasadnione, ale często jest jedynym bezinwestycyjnym (nisko inwestycyjnym) rozwiązaniem problemu. Pylisty węgiel aktywny dawkowany jest do
wody najczęściej do komór szybkiego mieszania w procesie koagulacji lub przed
osadnikiem z osadem zawieszonym. W przypadku stosowania PWA łącznie z procesem koagulacji objętościowej węgiel aktywny może spełniać dwojaką rolę - jako
obciążnik kłaczków oraz jako sorbent. Istotną sprawą w łączeniu koagulacji
z PWA jest kolejność dodawania reagentów. Najczęściej do komór szybkiego mieszania dodawany jest najpierw koagulant, a dopiero później węgiel aktywny - taka
kolejność zapobiega wbudowywaniu się cząstek węgla w powstające kłaczki, odwrócenie kolejności dawkowania reagentów zwiększa obciążenie kłaczków, nieko-
270
L. Dąbrowska, E. Sperczyńska
niecznie powodując utracenie właściwości sorpcyjnych PWA. Zdania dotyczące
kolejności stosowania reagentów są podzielone. Można znaleźć przykłady zastosowania w pierwszej kolejności PWA [2] oraz najpierw koagulantu [3].
Celem badań było określenie możliwości zastosowania pylistego węgla aktywnego do wspomagania procesu koagulacji wody powierzchniowej rzeki Warty
prowadzonej siarczanem glinu lub chlorkiem poliglinu.
1. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ
Do badań wykorzystano wodę powierzchniową z rzeki Warty, pobraną w lutym
2006 r. (ul. Dębowa, dzielnica Częstochowa-Raków). Badania oczyszczania wody
procesem koagulacji i adsorpcji wykonywano następnego dnia. Temperatura wody
wynosiła 19ºC, a jej skład zmodyfikowano, wprowadzając jony cynku, miedzi
i niklu.
Proces koagulacji prowadzono w pojemnikach z plexi o pojemności 2000 cm3,
do których odmierzano 1000 cm3 wody badanej. Po dodaniu koagulantu przy użyciu mieszadła mechanicznego prowadzono szybkie mieszanie (200 obrotów/min)
przez 1 minutę, a następnie wprowadzano węgiel pylisty i mieszano przez kolejną
minutę (dla wybranej dawki przeprowadzono dodatkową próbę, zmieniając kolejność wprowadzonych reagentów). Później stosowano przez 15 minut wolne mieszanie - 20 obrotów/min. Po tym czasie próbki poddawano 60-minutowej sedymentacji. Następnie dekantowano 200 cm3 wody i wykonywano następujące
oznaczenia, stosując metody: pH - potencjometryczną, zasadowość - miareczkową
wobec wskaźników, barwę i glin - spektrofotometryczną (spektrofotometr Unicam
Heλios ε firmy Thermo Electron Corporation), mętność - przy użyciu mętnościomierza TN-100 firmy Eutech Instruments, ogólny węgiel organiczny - spektrofotometrii w podczerwieni (analizator Multi N/C firmy Analytik Jena GmbH), cynk,
miedź, nikiel - absorpcyjnej spektrometrii atomowej przy wykorzystaniu spektrometru novAA 400 firmy Analytik Jena GmbH.
Jako koagulanty wykorzystano osiemnastowodny siarczan glinu produkowany
przez Przedsiębiorstwo Handlowe POLSKIE ODCZYNNIKI CHEMICZNE
w Gliwicach oraz zhydrolizowany chlorek poliglinu o nazwie handlowej PAX-XL1
produkowany przez KEMIPOL w Policach. Zastosowane koagulanty i ich dawka
(5 mgAl/dm3) zostały wyznaczone we wcześniej przeprowadzonych badaniach [4].
Do badań przygotowano 1% roztwór siarczanu glinu oraz roztwór PAX-u, rozcieńczając produkt handlowy. Charakterystykę przygotowanych roztworów roboczych
zastosowanych koagulantów przedstawiono w tabeli 1.
Proces koagulacji wspomagano poprzez zastosowanie pylistego węgla aktywnego produkowanego przez GRYFSKAND sp. z o.o. w Hajnówce. Węgiel wprowadzano w ilości 15÷60 mg/dm3 w postaci 0,3% roztworu. Charakterystykę użytych węgli pylistych przedstawiono w tabeli 2.
TABELA 1. Charakterystyka roboczych roztworów użytych koagulantów
Przydatność węgla aktywnego w oczyszczaniu wody powierzchniowej z zastosowaniem koagulacji
Koagulant
271
Stężenie, mg/dm3
Wartość pH
glinu
chlorków
siarczanów
Siarczan glinu
3,35
1580
-
8420
PAX-XL1
3,95
550
5900
-
TABELA 2. Wybrane właściwości użytych węgli pylistych [5]
Parametr
Powierzchnia właściwa
pH wyciągu
Liczba jodowa
Liczba metylenowa
Uziarnienie < 0,06 mm
Jedn.
Wartość dla węgla
CWZ-30
AKPA-22
2
m /g
1134
914
-
11,1
10,5
1190
940
cm
30
28
%
90
98
mg/g
3
2. OMÓWIENIE WYNIKÓW
Woda powierzchniowa miała odczyn lekko alkaliczny (pH = 7,7). Charakteryzowała się mętnością i barwą równą odpowiednio 15,2 NTU i 86 mgPt/dm3. Zasadowość wynosiła 2,5 mval/dm3. Po przeprowadzeniu koagulacji siarczanem glinu
w ilości 5 mgAl/dm3 wartość pH wody obniżyła się do 6,9, natomiast zasadowość
do 2,0 mval/dm3; przy zastosowaniu PAX-XL1 odpowiednio do 7,1 i 2,1 mval/dm3.
Wprowadzenie węgla pylistego w dawkach 15÷60 mg/dm3 nie wpłynęło na zmiany
wartości tych wskaźników.
Zmiany mętności i barwy oraz stężenia glinu pozostałego w zależności od użytego koagulantu, węgla pylistego i jego dawki przedstawiono w tabeli 3. Dla dawki
koagulantu równej 5 mgAl/dm3 uzyskano podobne obniżenie mętności i barwy
wody (odpowiednio o ok. 87 i 64%) zarówno przy zastosowaniu siarczanu glinu,
jak i PAX-XL1. Różniło się natomiast stężenie glinu pozostałego w wodzie po
koagulacji i było niższe o 0,19 mg/dm3 po użyciu PAX-u.
Dalsze obniżenie barwy i glinu pozostałego, w mniejszym stopniu mętności,
uzyskano, wprowadzając węgiel pylisty.
Przy zastosowaniu siarczanu glinu efekty obniżenia mętności i barwy (odpowiednio o ok. 91 i 78%) uzyskano zarówno po wprowadzeniu węgla CWZ-30, jak i
AKPA-22, jednak przy zmienionej kolejności dawkowania (najpierw węgiel,
a później koagulant). Zachowując kolejność wprowadzenia reagentów: koagulant węgiel, uzyskano niewielkie obniżenie barwy i stężenia glinu pozostałego przy
wykorzystaniu węgla CWZ-30, zaobserwowano natomiast brak takiego efektu
przy zastosowaniu węgla AKPA-22 w stosunku do działania samego siarczanu
glinu.
TABELA 3. Mętność, barwa i glin w wodzie przed i po koagulacji
272
L. Dąbrowska, E. Sperczyńska
Użyty reagent, dm3
Mętność, NTU
Barwa, mgPt/dm3
Glin, mgAl/dm3
Woda z rzeki Warty
15,7
69
< 0,01
Al2(SO4)3
1,9
26
0,53
Al2(SO4)3 + 15 mg C
2,1
23
0,38
Al2(SO4)3 + 30 mg C
2,3
21
0,27
30 mg C +Al2(SO4)3
1,3
13
0,27
Al2(SO4)3 + 45 mg C
2,3
21
0,34
Al2(SO4)3 + 60 mg C
2,5
18
0,30
Al2(SO4)3 + 15 mg A
2,2
23
0,56
Al2(SO4)3 + 30 mg A
2,4
23
0,54
30 mg A +Al2(SO4)3
1,5
18
0,58
Al2(SO4)3 + 45 mg A
2,6
23
0,58
Al2(SO4)3 + 60 mg A
2,7
24
0,52
PAX
2,1
24
0,34
PAX + 15 mg C
1,9
18
0,19
PAX + 30 mg C
1,3
12
0,12
30 mg C + PAX
2,3
16
0,13
PAX + 45 mg C
1,4
10
0,13
PAX + 60 mg C
2,0
16
0,17
PAX + 15 mg A
2,1
20
0,18
PAX + 30 mg A
1,8
18
0,19
30 mg A + PAX
2,2
15
0,36
PAX + 45 mg A
1,8
17
0,18
PAX + 60 mg A
1,7
17
0,14
dawka Al2(SO4)3 i PAX - 5 mgAl/dm3; C - węgiel pylisty CWZ-30; A - węgiel AKPA-22
Stosując PAX-XL1, obniżenie mętności, barwy i glinu stwierdzono przy wykorzystaniu obu węgli, zachowując kolejność wprowadzania reagentów (najpierw koagulant, później węgiel). Najlepsze efekty uzyskano dla dawki węgla pylistego
CWZ-30 równej 30 i 45 mg/dm3. Obniżenie mętności i barwy w stosunku do wody
surowej wyniosło odpowiednio ok. 91 i 84%. Uzyskano także dla tych dawek zawartość glinu pozostałego poniżej 0,15 mg/dm3. Nieco gorsze wyniki otrzymano
w przypadku węgla AKPA-22.
Usunięcie mętności i barwy przy wykorzystaniu samych koagulantów i przy
wspomaganiu węglem pylistym przedstawiono na rysunku 1.
Zawartość ogólnego węgla organicznego w wodzie powierzchniowej wynosiła
5,6 mgC/dm3. Po przeprowadzeniu koagulacji siarczanem glinu uległa obniżeniu
do 3,4 mgC/dm3, a po zastosowaniu PAX-XL1 do 3,2 mgC/dm3. Dalsze obniżenie
stężenia OWO otrzymano tylko wspomagając działanie PAX-u węglem CWZ-30.
Przydatność węgla aktywnego w oczyszczaniu wody powierzchniowej z zastosowaniem koagulacji
273
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Mętność
PA
X
PA
X+
45
m
gC
PA
X+
30
m
gA
gA
+S
G
gC
30
m
30
m
+S
G
Barwa
SG
Usunięcie [%]
Najlepszy efekt (zawartość OWO 1,9 mgC/dm3) uzyskano dla dawki węgla
15 mg/dm3.
SG - siarczan glinu; C - węgiel pylisty CWZ-30; A - węgiel AKPA-22
Rys. 1. Zmniejszenie mętności i barwy wody po procesie koagulacji, bez i ze wspomaganiem węglem pylistym
Przeprowadzono również usuwanie metali ciężkich z próbek wody rzeki Warty.
Ponieważ woda powierzchniowa charakteryzowała się niskim stężeniem metali (Zn
- 0,06 mg/dm3, Cu - 0,03 mg/dm3 i Ni - 0,04 mg/dm3), zmodyfikowano jej skład
poprzez wprowadzenie roztworu zawierającego jony wybranych metali ciężkich.
Uzyskane obniżenie stężenia metali w zmodyfikowanej wodzie powierzchniowej
po przeprowadzeniu procesu koagulacji wspomaganej węglem aktywnym przedstawiono w tabeli 4.
Woda powierzchniowa po modyfikacji charakteryzowała się stężeniem każdego
metalu równym ok. 3 mg/dm3. Zastosowanie procesu koagulacji siarczanem glinu
spowodowało obniżenie stężenia cynku o 11%, miedzi o 55%, natomiast praktycznie nie wpłynęło na zmianę stężenia niklu i kadmu. W przypadku użycia
PAX-XL1 uzyskano obniżenie zawartości cynku i miedzi odpowiednio o 59
i 76%.
Wspomagając węglem pylistym koagulację prowadzoną siarczanem glinu,
otrzymano dodatkowe usunięcie cynku (o 7%), przy użyciu PAX - o 18% dla obu
zastosowanych węgli. W przypadku miedzi uzyskane dodatkowe obniżenie stężenia wyniosło odpowiednio 18 i 10%. Jednocześnie nie stwierdzono znaczącego
wpływu koagulacji wspomaganej węglem pylistym na usunięcie niklu - maksymalne obniżenie stężenia wyniosło 13%.
Porównanie efektu usunięcia cynku i miedzi procesem koagulacji z próbek
wody rzeki Warty przy wykorzystaniu samych koagulantów i przy wspomaganiu
węglem pylistym przedstawiono na rysunku 2.
TABELA 4. Stężenia wybranych metali ciężkich w wodzie przed i po koagulacji
274
L. Dąbrowska, E. Sperczyńska
Użyty reagent, dm3
Woda z rzeki Warty
Cynk, mg/dm3
Miedź, mg/dm3
Nikiel, mg/dm3
3,16
2,92
3,08
Al2(SO4)3
2,82
1,32
3,01
Al2(SO4)3 + 15 mg C
2,68
1,09
2,86
Al2(SO4)3 + 30 mg C
2,64
1,06
2,85
30 mg C +Al2(SO4)3
2,60
0,91
2,83
Al2(SO4)3 + 45 mg C
2,62
0,85
2,86
Al2(SO4)3 + 60 mg C
2,62
0,80
2,86
Al2(SO4)3 + 15 mg A
2,72
1,13
2,85
Al2(SO4)3 + 30 mg A
2,64
1,02
2,85
30 mg A +Al2(SO4)3
2,70
1,02
2,89
Al2(SO4)3 + 45 mg A
2,64
0,94
2,86
Al2(SO4)3 + 60 mg A
2,60
0,94
2,84
PAX
1,31
0,69
2,87
PAX + 15 mg C
0,80
0,52
2,76
PAX + 30 mg C
0,78
0,45
2,72
30 mg C + PAX
0,76
0,49
2,72
PAX + 45 mg C
0,76
0,40
2,70
PAX + 60 mg C
0,74
0,41
2,71
PAX + 15 mg A
0,78
0,58
2,68
PAX + 30 mg A
0,76
0,53
2,66
30 mg A + PAX
0,86
0,57
2,74
PAX + 45 mg A
0,76
0,45
2,68
0,78
0,42
2,68
PAX + 60 mg A
3
100
80
60
Cynk
40
20
0
X
X+
45
m
gC
PA
X+
45
m
gA
PA
PA
30
m
gC
+S
G
30
m
gA
+S
G
Miedź
SG
Usunięcie [%]
dawka Al2(SO4)3 i PAX - 5 mgAl/dm ; C - węgiel pylisty CWZ-30; A - węgiel AKPA-22
SG - siarczan glinu; C - węgiel pylisty CWZ-30; A - węgiel AKPA-22
Rys. 2. Skuteczność obniżenia stężenia cynku i miedzi procesem koagulacji, bez i ze
wspomaganiem węglem pylistym
Przydatność węgla aktywnego w oczyszczaniu wody powierzchniowej z zastosowaniem koagulacji
275
Podczas koagulacji prowadzonej siarczanem glinu i wspomaganej węglem
aktywnym obniżenie stężenia cynku i miedzi wyniosło ok. 18 i 73%, a przy zastosowaniu PAX z węglem odpowiednio 77 i 86%.
PODSUMOWANIE
 Węgiel pylisty może wspomagać proces koagulacji.
 Najlepsze efekty obniżenia barwy i mętności z próbek wody powierzchniowej
oraz najniższe stężenie glinu pozostałego uzyskano po koagulacji prowadzonej
chlorkiem poliglinu PAX-XL1 i wspomaganej aktywnym węglem pylistym
CWZ-30. W przypadku usuwania cynku i miedzi oba użyte węgle dały podobny
efekt wspomagania koagulacji tym reagentem.
 Przeprowadzone badania miały charakter rozpoznawczy i dlatego otrzymane
wyniki wymagają potwierdzenia w dalszych eksperymentach.
Opracowano na podstawie badań własnych wykonanych w ramach
BW-402-201/02.
LITERATURA
[1] Dębowski Z., Przydatność krajowych węgli aktywnych do uzdatniania i odnowy wody, Mat.
Konferencji Naukowej nt. Uzdatnianie, odnowa i ochrona wód, Częstochowa 1998, 17-25.
[2] Jodłowski A., Usuwanie mikrocystyn w pilotowym układzie uzdatniania wody z wykorzystaniem
pylistego węgla aktywnego, Mat. Konferencji Naukowej nt. Mikrozanieczyszczenia w środowisku człowieka, Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2005, 235-243.
[3] Kowal A., Świderska-Bróż M., Oczyszczanie wody, WN PWN, Warszawa-Wrocław 1996.
[4] Janic E., Skuteczność procesu koagulacji w oczyszczaniu wody z rzeki Warty, praca dyplomowa
inżynierska, Politechnika Częstochowska, Częstochowa 2005.
[5] Świadectwo Kontroli Jakości Nr 399 i Nr 400 z dnia 15.07.2005 r. wystawione przez
GRYFSKAND sp. z o.o. Zakład Produkcji Węgli Aktywnych w Hajnówce.
SUITABILITY OF ACTIVATED CARBON IN SURFACE WATER TREATMENT
BY THE COAGULATION PROCESS
Suitability of two powdered activated carbons (PAC): CWZ-30 and AKPA-30 for
enhancing the coagulation process used for the removal of contaminants from surface
water was evaluated. Aluminium sulphate and pre-hydrolyzed polyaluminium chloride (PAX-XL1) were used as coagulants, and the following parameters were analysed in water samples from the Warta River: turbidity, colour, total organic carbon
and concentrations of heavy metals (Zn, Cu and Ni). The removal of contaminants
from surface water was better for PAC-enhanced coagulation with PAX as compared
to aluminium sulphate. The colour and turbidity were reduced by 87% and 91%, respectively, when CWZ was introduced after PAX, and only slightly lower reduction
276
L. Dąbrowska, E. Sperczyńska
was achieved in the case of AKPA-22 (75 and 89%). The concentration
of Zn was reduced by 77% and of Cu by 86%. For aluminium sulphate as a coagulant, similar effects of reduction of colour (78%) and turbidity (91%) were observed
for both types of PAC that were applied to water samples prior to the coagulant.
KEYWORDS: water treatment, coagulation, adsorption,
powdered activated carbon (PAC)