Νέα σύνθετα κροκιδωτικά υλικά με βάση το σίδηρο
Creators: name: Μουσσάς, Παναγιώτης
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2010
Subjects: Κροκίδωση
Συσσωμάτωση
Κροκιδωτικά σιδήρου
Πολυηλεκτρολύτες
Coagulation
Flocculation
Iron based coagulation
Polyelectrolytes

description: Η κροκίδωση-συσσωμάτωση είναι από τις σημαντικότερες φυσικοχημικές διεργασίες που χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία του νερού και των υγρών αποβλήτων. Οι ερευνητικές προσπάθειες για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας της διεργασίας της κροκίδωσης επικεντρώνονται στην ανάπτυξη νέων, βελτιωμένων αντιδραστηρίων 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. Συγκεκριμένα, 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. Στη συνέχεια και με βάση τις κατάλληλες συνθήκες παρασκευάστηκε ένας συγκεκριμένος αριθμός σύνθετων αντιδραστηρίων με διάφορους συνδυασμούς των πειραματικών παραμέτρων, όπως είναι για παράδειγμα η αναλογία σιδήρου-προσθέτου, ο μοριακός λόγος r = ΟΗ/Fe, με την εφαρμογή δύο μεθοδολογιών παρασκευής: του συμπολυμερισμού και του διαδοχικού πολυμερισμού. Επιπρόσθετα, μελετήθηκαν συστηματικά οι ιδιότητες τους, όπως είναι το pH, η αγωγιμότητα, και η πυκνότητα, δίνοντας έμφαση στον προσδιορισμό της κατανομής των χημικών ειδών του σιδήρου, με τη φασματοφωτομετρική μέθοδο Ferron, καθώς και της αποσταθεροποιητικής τους ικανότητας, με τη μέτρηση του ζ- δυναμικού, ενώ παράλληλα μελετήθηκε η δομή και μορφολογία των αντιδραστηρίων με τη βοήθεια μεθόδων, όπως FTIR, SEM και XRD. Από τη μελέτη των ιδιοτήτων των νέων αντιδραστηρίων προέκυψαν σημαντικά συμπεράσματα με τα σημαντικότερα να συνοψίζονται στα εξής: α) Παρατηρήθηκε η μερική αλληλεπίδραση μεταξύ των χημικών ειδών του σιδήρου και των συστατικών του προσθέτου, όπως είναι ο πιθανός σχηματισμός σύμπλοκων ενώσεων μεταξύ του σιδήρου και πυριτίου για τα τροποποιημένα αντιδραστήρια με πολυπυριτικό οξύ ή αντίστοιχα, η εμφάνιση αλληλεπιδράσεων μεταξύ του σιδήρου και των δομικών ομάδων του πολυακρυλαμιδίου στα τροποποιημένα αντιδραστήρια με μη-ιονικό πολυηλεκτρολύτη. β) τροποποίηση της αποσταθεροποιητικής ικανότητα του κάθε σύνθετου αντιδραστηρίου ανάλογα με το είδος και τις ιδιότητες του κάθε προσθέτου. Επιπλέον, τα σύνθετα κροκιδωτικά εφαρμόστηκαν στην επεξεργασία νερού και υγρών αποβλήτων, ώστε να αξιολογηθεί η αποτελεσματικότητα τους σε σύγκριση με τα συμβατικά κροκιδωτικά του σιδήρου. Τα αποτελέσματα κατέδειξαν με σαφήνεια ότι τα βελτιστοποιημένα σύνθετα αντιδραστήρια είναι αποτελεσματικότερα σε σύγκριση με τα μη-τροποποιημένα αντιδραστήρια του σιδήρου, ενώ παράλληλα διαπιστώθηκε ότι λειτουργούν μέσω διαφορετικών μηχανισμών αποσταθεροποίησης και σχηματισμού συσσωματωμάτων. Τέλος, πραγματοποιήθηκε και η ανάλυση των κινητικών δεδομένων της διεργασίας με τη βοήθεια της συσκευής PDA. Ενδεικτικά, σημειώνεται ότι με τα σύνθετα αντιδραστήρια σχηματίζονται μεγαλύτερα σε αριθμό και μέγεθος συσσωματώματα σε σύγκριση με τα μη τροποποιημένα αντιδραστήρια του σιδήρου
description: Coagulation-flocculation process is one of the most important physichochemical processes that are widely used in water and wastewater treatment. The last decades several research efforts have been conducted for the improvement of the efficiency of the process, which resulted in the development of new types of coagulation reagents. In this thesis, the synthesis, characterization of the properties and the evaluation of the efficiency of the new composite coagulation reagents based on iron are studied. The composite reagents derived 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 was employed, while as organic additives 3 different (commercial available) polyelectrolytes were used depending on the charge 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. 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. Then, the composite coagulants were applied to lab scale coagulation experiments in order to evaluate their efficiency in treating certain types of water and wastewater samples in comparison with the non-modified iron based coagulants. The results clearly show that the composite coagulants exhibit a superior coagulation, while they operate through different coagulation mechanisms compared to the non-modified iron based coagulants. Finally, the coagulation kinetics along with the extent of aggregation was studied with the aid of the PDA device. It is concluded that the usage of the composite coagulants favoured the formation of bigger and more aggregates in comparison with the other iron based coagulants