Selkeytysprosessin kemikaalisyöttöjen optimointi varaustilan ja zeta-potentiaalin avulla

Abstract

Tässä diplomityössä tutkittiin Nornickel Harjavallan (NNH) vesienkäsittelyn selkeytysprosessin toimintaa. Työn tarkoituksena oli optimoida selkeyttimen toimintaa prosessiliuoksen partikkelien zeta-potentiaalin ja varaustilan mittauksien avulla. Optimoinnilla haluttiin saavuttaa selkeyttimen parempi erotusteho, puhtaampi ylite ja nopeampi laskeutusprosessi. Diplomityö koostuu kirjallisesta ja kokeellisesta osasta. Kirjallisessa osassa tutkittiin sakeutukseen liittyviä ilmiöitä, kuten koagulaatiota ja flokkulaatiota. Kokeellisen osan tavoitteena oli löytää vesienkäsittelyprosessiin sopiva koagulantti ja flokkulantti sekä optimoida niiden annostelu laskeutuskokeiden ylitteistä mitattujen zeta-potentiaalin, varausjakauman ja varaustilan avulla.

Koagulantin tehtävänä oli epävakauttaa suspensiossa olevat kolloidiset partikkelit ja flokkulantin tarkoituksena oli liittää epävakautetut partikkelit yhteen muodostaakseen flokkeja. Näiden flokkien haluttiin olevan mahdollisimman suuria ja laskeutumisen mahdollisimman nopea. Kokeissa havaittiin, että polymeeriset koagulantit epävakauttivat prosessiliuoksen partikkeleita paremmin kuin tällä hetkellä käytössä oleva ferrisulfaatti. Koagulanttikokeista koagulantti FL 2949:n valittiin jatkokokeisiin, joissa havaittiin, että FL 2949:n kanssa toimivat parhaiten matalakationiset (ionisuusaste < 20 %) ja korkea-anioniset (ionisuusaste > 40 %) flokkulantit. Kationisiin flokkulantteihin verrattuna anioniset flokkulantit muodostivat tyypillisesti huokoisempia ja suurempia flokkeja, jotka laskeutuivat nopeammin. Koagulantti-flokkulanttikokeiden tulosten perusteella valittiin kolme yhdistelmää jatkokokeisiin: valittu koagulantti oli FL 2949 ja flokkulantit olivat anioninen AN-977 sekä kationiset FO-4125-SSH ja FO-4240.

Kokeissa kationisten flokkulanttien havaittiin olevan herkempiä pH:n ja lämpötilan muutoksille verrattuna anioniseen flokkulanttiin. 25 ºC lämpötilassa kationisten flokkulanttien zeta-potentiaalin ja varausjakauman arvot laskivat sekä muodostunut flokkikoko pieneni, joka näkyi laskeutuskokeissa ylitteiden sameuden kasvuna. pH-arvon kasvattamisella 10-12:sta ei ollut merkittävää vaikutusta varausjakaumaan, varaustilaan ja zeta-potentiaaliin. pH:n nostamisen havaittiin kuitenkin pienentävän muodostuvien flokkien kokoa ja lisäävän ylitteiden sameutta. Lämpötilan ja pH:n muutoksella ei ollut vaikutusta anionisen flokkulantin toimintaan.

Tämän työn tulosten perusteella NNH:n vesienkäsittelyyn sopii parhaiten polymeerinen koagulantti FL 2949:n (annostus 0.08 L/m3) ja anioninen flokkulantti AN-977:n (annostus 2 ppm). Anionisella flokkulantilla havaittiin olevan parempi sietokyky lämpötilan ja pH:n muutoksille sekä se muodosti suurempia flokkeja laskeutuskokeessa kuin kationiset flokkulantit. Ylitteen varaustilan mittaus soveltuu zeta-potentiaalimittausta paremmin selkeytysprosessin toiminnan optimointiin, sillä zeta-potentiaali mittaus ei antanut tarpeeksi tietoa selkeyttimen kemikaalisyöttöjen optimointiin. Kokeissa havaittiin, että laskeutustulos oli heikompi, kun ylitteen varaustila oli positiivinen tai selkeästi negatiivinen. Tulosten perusteella voitiin päätellä, että selkeytysprosessia operoitaessa ylitteen varaustilan tulisi pyrkiä pitämään lievästi negatiivisena (noin -30 mV). Varaustilan muutokset operoidaan ensisijaisesti muuttamalla flokkulantin annostusta, sillä sen vaikutus varaustilaan on vähäisempi kuin koagulantilla. Koetulosten perusteella suositellaan, että varaustilassa tapahtuvat lievät muutokset operoidaan flokkulantilla ja suuremmat koagulantilla. Varaustilan mennessä positiiviseksi voidaan flokkulantin annostusta kasvattaa tai koagulantin annosta pienentää, jotta liuoksen varaustila saadaan lievästi negatiiviseksi. Vastaavasti varaustilan laskiessa voidaan flokkulantin annostusta pienentää tai koagulantin kasvattaa, jotta varaustilaa saadaan nostettua.

In this Master’s thesis the clarifier process, which is used as a part of the water treatment process at Nornickel Harjavalta (NNH) was studied. The aim of this Master’s thesis was to optimize the operation of the clarifier process based on the zeta-potential and particle surface charge measurements. In addition to the literature review, this thesis has an experimental part. In the literature review phenomena related to sedimentation process such as coagulation and flocculation process was studied. The objective of the experimental part was to find a suitable coagulant and flocculant for the water treatment process, and to optimize the dosing of these chemicals with the help of particle surface charge, charge distribution, and zeta-potential, which were measured from the overflow of the settling test.

In the experiments, it was found that polymeric coagulants destabilized the particles of the process solution better than ferric sulfate. From the coagulant experiments coagulant FL2949 was selected for further experiments, where it was noticed that FL 2949 worked best with low cationic (< 20 % charge density) and high-anionic (> 40 % charge density). Anionic flocculant formed typically porous and larger flocs, which settled faster compared to cationic flocculant. Based on the results of the coagulant-flocculant experiments, three combinations were selected for further experiments: the selected coagulant was FL 2949 and the flocculants were AN-977, FO-4125-SSH and FO-4240.

The aim of the coagulant was to destabilize the colloidal particles in the suspension and the purpose of the flocculant was to connect these unstabilized particles together to forms flocs. These flocks were intended to be as large as possible and descent as fast as possible. In the experiments, cationic flocculants were found to be more sensitive to the fluctuations in pH and temperature. At the temperature of 25 °C, the zeta potential and charge distribution values of analysis results for cationic flocculants decreased. Additionally, it was noticed that the flock size in the settling tests decreased, which was reflected in the increase of turbidity of the overflows. Increasing the pH from 10-12 had no significant effect on charge distribution, particle surface charge stage and zeta potential. However, it was noticed that the flock size in the settling tests decreased when the pH was increased, which was reflected in the increase of turbidity of the overflows. Temperature and pH had no effect on the operation of the anionic flocculant.

Based on the results of this work, it was found that polymeric coagulant FL 2949 (dosage 0.08 L /m3) and the anionic flocculant AN-977 (dosage 2 ppm) are the most suitable for the water treatment process at NNH. The anionic flocculant was found to be more stable to changes in process. It is recommended that the operation of the clarifier could be optimized with the help of particle surface charge stage measurements taken from settling experiment’s top products since the zeta potential did not provide enough information to optimize the chemical feeds of the clarifier. When operating the process, the top product’s particle surface charge stage should be slightly negative (about -30 mV), because both a positive and clearly negative charge stage conditions were found to have a degenerative effect on settling process. The process operation should be performed primarily by changing the dosage of the flocculant, since its dosage has a smaller effect on the change of particles surface charge state than the flocculant. Based on the test results it is recommended that slight changes are operated with flocculant and larger changes with coagulant. Cases when the particle surface charge state is positive, the dose of flocculant should be increased, or the dose of coagulant decreased to reduce the particle surface charge state. As the charge level decreases, the dose of flocculant should be reduced, or the dose of coagulant increased to increase the charge state.