Natural freeze crystallization : purification of aqueous Na2SO4 solutions with cold air

Abstract

The aim of this thesis was to examine efficiency of freeze crystallization and eutectic freeze crystallization in purification of wastewater by imitating natural freezing. In addition, a mathematic model based on heat transfer to determine ice thickness and ice growth rate was examined. Also, the amount of sodium sulfate crystallized at the eutectic point was under investigation. In literature part, advantages and applications of the freeze crystallization are discussed, and possibility to apply it in Northern hemisphere winter weather conditions is under study. Furthermore, main sources of sodium sulfate from Finnish industries are described. The experiments were carried out in modified chest freezer, where a fan was placed in order to obtain laminar air flow inside. Picolog PT-104 data logger was used to monitor temperature changes in the salt-water solution, and constant temperature was maintained in the crystallizer with Lauda RP 850 thermostat. The impurity of formed ice layer was determined by weighing ice samples after experiment and again after 24 hours drying to full dryness in oven. Volume of salt-water solution was also measured after experiment.

The highest purity of formed ice layer was obtained with small temperature difference and with long freezing time. On the other hand, the amount of crystallized sodium sulfate was its greatest with long freezing time and higher temperature difference. The results obtained by the mathematic model and empirical results did not differ significantly in most of the experiments. However, the difference increased when salt-water mixture reached its eutectic point, leading to simultaneous ice and salt crystallization. Eutectic point was reached only with the highest salt concentration with one exception. In these cases, calculated values were in many cases greater than the experimental ones. In winter weather conditions freeze crystallization is cost-effective wastewater treatment method and rather simple. Nonetheless, the efficiency and separation rate are strongly depended on ambient temperature and its changes

Työn tarkoituksena oli tutkia jäätymiskiteytyksen ja eutektisen jäätymiskiteytyksen tehokkuutta jäteveden puhdistuksessa imitoimalla talviolosuhteissa tapahtuvaa jäätymistä. Lisäksi tutkittiin matemaattisen mallin soveltuvuutta jääkerroksen paksuuden ja sen kasvunopeuden määritykseen sekä otettiin huomioon eutektisessa pisteessä tapahtuvaa natriumsulfaatin kiteytymistä. Kirjallisuusosassa perehdytään jäätymiskiteytykseen, sen hyötyihin ja sovelluksiin sekä tarkastellaan pohjoisen ilmaston mahdollista soveltamista tekniikan käyttöön talviolosuhteissa. Myös pääasiallisia natriumsulfaatin lähteitä Suomen teollisuudesta ympäristöön tarkastellaan. Mittaukset suoritettiin modifioidussa arkkupakastimessa, jonka sisälle oli sijoitettu tuuletin, laminaarisen ilmavirran aikaansaamiseksi. Jääkerroksessa tapahtuvaa lämpötilanmuutosta tarkasteltiin Picolog PT-104 korkeatarkkuuksisella dataloggerilla. Kiteyttimessä lämpötilakontrollia pidettiin yllä Lauda RP 850 termostaatilla. Muodostuneen jääkerroksen puhtaus määritettiin punnitsemalla sen paino mittauksen sekä uudelleen vuorokauden uunissaolon jälkeen. Myös jäljelle jäänyt suolaliuoksen tilavuus mitattiin ja siitä otetettiin niin ikään näyte liuoksen suolapitoisuuden määritykseen.

Pienellä lämpötilaerolla ja pitkällä jäädytysajalla saatiin erotettua parhaiten muodostunut jää suolaliuoksesta. Toisaalta natriumsulfaatin kiteytys astiaan toimi parhaiten suurella lämpötilaerolla sekä jäätymisajalla. Jääkerroksen kasvunopeuden määrityksessä käytetty matemaattinen malli sekä mittausten perusteella laskettu varsinaisen jääkerroksen kasvunopeus olivat suurimmassa osassa mittauksia lähellä toisiaan. Ero arvojen välillä kuitenkin kasvoi merkittävästi, kun eutektinen piste saavutettiin. Eutektisen pisteen saavuttaminen johti suolan ja jääkerroksen samaan aikaiseen kiteytymiseen. Eutektinen piste saavutettiin yhtä poikkeusta lukuun ottamatta ainoastaan suurimmalla suolan konsentraatiolla. Toisin kuin muissa mittauspisteissä saadut tulokset, eutektisen pisteen saavuttaneiden mittapisteiden matemaattiset arvot olivat lähes kaikki kokeellisia arvoja suurempia. Talviolosuhteissa jäädytyskiteytyksen käyttö jätevedenpuhdistukseen on energiatarpeeltaan erittäin edullista. Lisäksi toiminnaltaan tekniikka on erittäin yksinkertainen. Toisaalta sen tehokkuus ja erotuskyky riippuvat täysin vallitsevasta lämpötilasta ja sen vaihteluista.