SE428467B - Forfarande vid behandling med vattenhaltiga system med aluminiumsulfat - Google Patents

Description

l0 15 20 25 ' 30 35 7805135-6 0,2 mol/l med hjälp av termodynamiska jämviktskonstanter hämtade ur litteraturen och gäller sålunda för det fall att aktivitetskoeffii cienterna är lika med ett. I verkligheten är dessa skilda från ett.

Diagramnet återger därför ej absolutvärden på koncentrationen men ger väl en kvalitativ bild av hur koncentrationen av de olika komplexen varierar när pH-värdet ändras. De flerkärniga komplexen, Al (OH) l (3m'")+, kan vara av skilda slag, dvs m och n kan ha olika æärdeö.

Ett dominerande komplex är dock Al8(0H)âš och detta får därför i figur l symbolisera samtliga flerkärniga komplex. Av diagrammet inses att om en aluminiumsulfatlösning, som beretts genom upplös- ning av aluminiumsulfat och som har ett pH-värde ca 3, alkaliseras, ckommer andelen av flerkärniga komplex att öka för att sedan åter av- ta. Maximal halt av flerkärniga komplex har lösningen när pH-värdet är ca 3,8.

I samband med uppfinningens tillkomst har det nu överraskande visat sig, att ett mycket effektivare utnyttjande av aluminiumsulfatlös- ningar kan uppnås om man vid förfarandet enligt uppfinningen an- vänder en lösning av aluminiumsulfat innehållande flerkärniga kom- plex med formeln: Alm(0H)n(3m'n)+, där m och n är positiva hela tal.

Mot bakgrund av det i fig. l redovisade diagrammet ligger detta pH- -intervall inom ungefär pH 3,5 till 4,0. Även om uppfinningen ej är inskränkt till någon speciell teori antas det att genom den förhöjda attraktionskraften hos de hydrolyserade aluminiumjonerna.den vid alu- miniumsulfatlösningen avsedda användningen uppnådda effekten förhöjes.

Dessa förhållanden kommer att beskrivas utförligare i den fortsatta framställningen.

Koncentrationen aluminiumsulfat i den använda lösningen är ej kritisk och kan liksom vid den konventionella tekniken variera inom vida gränser. Rent allmänt kan man säga att de aluminiumsulfatkoncentra- tioner som varit aktuella vid den konventionella tekniken exempelvis i anslutning till vattenrening, limning av papper eller avvattning av växtaeiar, är användbara aven_i ansiutning :iii riilampning av tekniken -enligt föreliggande uppfinning. 10 15 20 25 30 35 7805135- 6 Serier av lösningar innehållande flerkärniga komplex har framställts på ovan beskrivna sätt och använts: (a) beredning av dricksvatten ur râvatten, (b) för kemisk rening av avloppsvatten, (c) för avvattning av växtdelar, och (d) för fixering av hartser på cellulosafibrer vid papperslimning.

Dessa olika applikationer kommer att beskrivas i det följande. Fort- sättningsvis kommer begreppet aluminiumsulfat att förkortas med ALS medan den flerkärniga motsvarigheten förkortas FALS.

De aluminiumsulfatlösningar som är aktuella vid förfarandet enligt föreliggande uppfinning är såsom tidigare nämnts icke inskränkta till något snävt koncentrationsintervall. Sålunda kan aluminiumsul- fatkoncentrationen helt allmänt ligga inom intervallet ca 0,02 till 2,3 mol Al/liter, vilket motsvarar aluminiumhydroxidutfällning resp. maximal löslighet för aluminiumsulfat. Aluminiumsulfatlösningens pH kan inställas på lämpligt värde inom ovannämnda intervall med använd- ning av vilken som helst lämplig bas. Sålunda kan användas en alkali- metall- eller jordalkalimetallhydroxid eller ammoniak. Speciellt före- dragna är måhända natriumhydroxid och kalciumhydroxid. (a) Vid beredning av dricksvatten ur rävatten behandlas vattnet ofta med aluminiumsulfat. Detta gäller i synnerhet om råvattnet utgöres av ytvatten. Aluminiumsulfatet löses därvid upp i vatten på ovan be- skrivna sätt och aluminiumsulfatlösningen inblandas därefter i rå- vattnet. Aluminiumsulfatlösningen befinner sig ungefär vid punkt A i figur l. Vid inblandningen flyttas systemet till punkt B. Lösningen är där övermättad med avseende på aluminiumhydroxid och följaktligen faller denna förening ut (B-s>C).

De i aluminiumsulfatlösningen befintliga hydrolyserade aluminium- jonerna har positiv laddning medan de i vattnet suspenderade partik- larna i regel har negativ laddning. De positiva komplexa aluminium- hydroxidjonerna attraherar de negativa partiklarna och fångar på så sätt in dem i de flockar som bildas. Flockarna och med dem förore- 10 l5 20 25 30 7805135-6 'ningarna avlägsnas ur vattnet genom sedimentering och/eller filtre- ring. Attraktionskrafternas storlek är beroende av storleken pâ den positiva laddningen hos aluminiumjonen. Enligt Hardy-Schultzes regel ökar attraktionen och koaguleringsförmâgan med mer än en tiopens när laddningen ökar med en enhet. i E En flerkärnig jon, här representerad av Al8(0H) gg, har sålunda större koagulerande förmåga än de enkärniga jonerna Al3+, Al(0H)2+ och Al(0H)2+. Andra flerkärniga joner som finns i aluminiumsulfat- lösningar förutom den ovan nämnda Al8(0H)ÉB har alla laddningar z> 4+. I en serie försök har reningseffekten hos konventionella aluminiumsulfat (ALS)-lösningar jämförts med reningseffekten hos aluminiumsulfatlösningar som bibringats ett högre pH-värde och därmed en högre halt flerkärniga komplex (FALS) genom tillsats av alkali.

Det visade sig att FALSlösningarna var väsentligt effektivare än ALS- lösningarna (se exempel l). (b) Aluminiumsulfat och järnhaltigt aluminiumsulfat (t ex Boliden AVR) används också vid kemisk rening av avloppsvatten. Förfarandet vid reningsprocessen liknar det som beskrivits för beredning av e dricksvatten ur råvatten. På samma sätt som där beskrivits bildas aluminiumhydroxid, som flockar ut suspenderad substans ur avlopps- vattnet. Används järnhaltigt aluminiumsulfat bildas på analogt sätt även järnhydroxid, som har samma utflockande verkan på suspenderad substans som aluminiumhydroxid. Utöver utflockningen av suspenderad substans sker också en kemisk utfällning av i avloppsvattnet lösta ortofosfater och kondenserade fosfater. Dessutom medfälls många tungmetaller såsom hydroxider. Bland sådana metaller kan nämnas Hg, _Pb, Cd, Cr, Cu och As(V). Vid den kemiska reningen befrias avlopps- vattnet på detta sätt från organisk substans, fosforföreningar, smitt- ämnen, inälvsmaskägg och tungmetaller. Ett flertal försök har, en- ligt föreliggande uppfinning, utförts med kemisk rening med alumi- gniumsulfat (ALS)-lösningar som genom alkalitillsats bibringats ett högre pH så att därigenom andelen flerkärniga joner höjdes. 10 15 20 25 30 35 7805135-6 De flerkärniga lösningarna visade sig ha bättre reningsegenskaper än konventionella aluminiumsulfatlösningar (se exempel 2). (c) Ett tredje användningsområde för aluminiumsulfatlösningar hänför sig till avvattning av växtdelar som innehåller vatten och växtsafter.

Inom sockerindustrin lakar man ut de sönderdelade sockerbetornas saft -med vatten. Kvarvarande fastsubstans avvattnas sedan i skruvpressar varpå de avvattnade resterna torkas och inblandas i kratursfoder.

Torkningsoperationen kräver avsevärda mängder energi varför det är angeläget att betmassan bibringas högsta möjliga torrsubstanshalt vid pressningen. Det är känt, att torrsubstansen blir avsevärt högre om en aluminiumsulfatlösning sprutas på betmassan före pressningen än om pressningen genomföres utan tillsats av aluminiumsulfat. Försök gjorda i samband med föreliggande uppfinning har visat att använd- ning av aluminiumsulfatlösningar innehållande flerkärniga komplex ger en högre torrsubstanshalt i betmassan efter pressningen än an- vändning av konventionell aluminiumsulfatlösning. Energiförbrukningen vid den efterföljande torkningen av betmassan blir därigenom avsevärt mindre än vid behandling med konventionell aluminiumsulfatlösning.

(Se exempel 3). (d) Ett fjärde användningsområde för aluminiumsulfat är papperslim- ning. Papper limmas för att dess vattenupptagande förmåga ska minska.

Därigenom blir det möjligt att skriva på papperet med bläck eller att trycka på det med tryckfärger utan att bläcket respektive färgerna flyter ut. Dessutom är limmat papper som blivit utsatt för väta starkare än olimmat och detta har stor betydelse för t.ex. embal- lagepapper. Limningen innebär att ett hartslim anbringas på fibern.

Defla är ej utan vidare möjligt pä grund av att såväl cellulosafib- rerna som hartset är negativt laddade. Det vanligast förekommande hartset är nämligen framställt av tallolja, kåda eller liknande och den verksamma beståndsdelen är den anjoniska delen av ifrågavarande organiska hartsföreningar. Vid limningen förfar man därför pâ så sätt att man tillsätter en aluminiumsulfatlösning, varvid de positiva aluminiumjonerna förenar sig med den negativt laddade anjoniska delen 10 15 20 25 30 '35 7805135-6 av hartset. Aluminiumhartsföreningen har ett överskott av positiv laddning och aluminiumhartskomplexet förenar sig därför snabbt med den negativt laddade fibern. Limningen genomföres effektivast vid pH-Värden mellan 4,0 och 5,5. Det har en enligt föreliggande uppfin- .ning visat sig att limningen går snabbare och blir effektivare om man i stället för att tillsätta aluminiumsulfatlösning tillsätter en FALS-lösning, dvs en ALS-lösning vari andelen flerkärniga joner höjts genom tillsats av alkali. De flerkärniga jonerna har hög ladd- ning, 2>4+, och förenar sig därför effektivare med hartsets anjoner än vad enkärniga aluminiumjoner gör. A ' Uppfinningen kommer i det följande att illustreras närmare genom ex- empel i anslutning till figurerna 2-5 på bilagda ritning.

EXEMPEL 1 Flockning av ytvatten från en å har genomförts i halvstor skala i ett mobilt reningsverk. Reningsverket har tvâ parallella linjer med kapa- citeten l-2 m3 per timme på vardera linjen. Varje linje innefattar tre parallellkopplade flockningsbassänger och en efterföljande sedi- menteringsbassäng med tre meters djup. I referenslinjen flockades med konventionell aluminiumsulfatlösning och i försökslinjen flocka- des med flerkärnig aluminiumsulfatlösning som framställts genom till-_ g sats av NaOH (0,7 mol Na0H per mol Al) till konventionell ALS-lösning.

Undersökningen gav följande resultat. Koncentrationen på ALS och FALS var där inte annat sägs l0 g Al/l, dvs 0,37 mol Al/l. pH-värdet var under försöksperioden ca 7,3-7,9 i inkommande vatten och 6,4-6,8 i flockat utgående vatten. a) Al-halten i det renade vattnet var följande: Ytbelastning via Seann. m /mz - h 1 1,5 z 2 Ai-aasering, 9/1113 3,6 2,4 2,3 2,7 Resthalt Al, mg/l ALs-ifinjen 0,33 0,43 0,81 0,83 FALS-innan 0,30 0,37 0,56 0,40 l0 l5 20 25 30 7805135-6 Resthalten aluminium blev sålunda lägre efter flockning med FALS än efter flockning med ALS, i synnerhet vid hög belastning. I filtrerade prover är halten <10,l mg AL/l i utgående vatten från båda linjerna.

Al-halten är sålunda ett mått på mängden flockar som finns i utgående vatten. Resultatet ger vid handen, att FALS-lösningar ger ett klarare vatten än ALS-lösningar. b) Fosfathalten var i inkommande vatten ca 0;5 mgP/l och i utgående vatten <í0,l mg P/l. Någon signifikant skillnad ifråga om fosfor- reduktion föreligger inte mellan linjerna. c) Turbiditeten i inkommande åvatten var i regel omkring l FTU (Formazin Turbidity Units) men kunde vid regn stiga till > 30 FTU.

Följande resultat erhölls i pilotanläggningen. ALS-lösningens pH- -värde var 3,3 och FALS-lösningens 3,75.

Antal dygn 5 4 8 3 Ytbelastning vid sšdimentering /m - h l l,5 2 2 Dosering A1 g/mß 3,6 2,4 2,3 2,7 Grumlighet FTU inkommande 0,47 0,68 A l,78 7,30 ALS-linjen, ut 0,19 0,32 l,85 2,80 FALS-linjen, ut 0,l9 0,l3 0,49 l,l6 Resultaten visar, att den flerkärniga lösningen, speciellt vid över- belastning av sedimentationssteget och laga Al-doseringar, har en överlägsen förmåga att flocka ut det suspenderade material som finns i âvattnet efter regn.

I figur 2 visas turbiditetens variation över dygnet. 1977-05-l3 er- hölls en genomsnittlig reduktion av grumligheten om 77% i FALS-linjen.

Motsvarande värde i ALS-linjen var l7% under i övrigt lika betingelser. 10 15 20 25 30 35 17305135-6 ___NN\~M䧧_N' ' 8 d) Inverkan av A1-koncentrationen Följande försöksvärden visar att ungefär samma reningsreu1tat erhâ11s vid koncentrationen 0,18 mo1 A1/1 i FALS#1ösningen som ' ' vid 0,36 mo1 Am. FALs-ïösningens pH = 3,75. a Ytbelastning av sedimenteringa 1 m3/m2-h Dosering 3,6 g A1/m3 Temperatur 7,5°C Grum1ighet FTU ' ' inkommande vatten 1,11 utg FALS (0,18 mo1 A1/1) 0,15 utg FALS (0,36 mo1 A1/1) 0,18 p-ha1t mg/1 > inkommande vatten 0,18 utg FALS (0,18 mo1 A1/1) 0,06 utg FALS (0,36 mo1 A1/1) 0,04 e) Slamegenskaper. De f1erkärniga komp1exen ger f1ockar som är g1est uppbyggda. De har en hå11fasthet som ti11åter en viss mekanisk .behandling utan att s1ås sönder.

Det sedimenterade s1ammets fi1trerbarhet har undersökts. Det visade sig, att det s1am som erhö11s med FALS-ïösning har ett 1ägre fi1treringsmotstånd än det som erhö11s med ALS-1ösnin9.

S1am från Filtreringsmotstånd m/kg -1012 ALSl1injen 64 FALS-i injen 44 - EXEMPEL 2 Ett stort anta1 försök har genomförts med rening av av1oppsvatten med a1uminiumsu1fat1ösningar och f1erkärniga a1uminiumsu1fat1ös- eningar. De använda ALS- och FALS-1ösningarna innehö11 0,15 mo1 A1/1.

När det konventione11a a1uminiumsu1fatet 1östes upp, fick 1ösningen A pH-värdet 3,4. Ur denna 1ösning bereddes de1s en ïösning med pH 2 genom ti11sats av HZSO4, de1s en 1ösning med pH 3,7 - 3,8 (FALS-1ös- ning) genom ti11sats av Na0H. 10 15 20 25 30 35 7805135- 6 Vattnen som flockades var mekaniskt eller mekaniskt-biologiskt renade avloppsvatten. Aluminiumsulfatlösningarna blandades in med hjälp av grindomrörare. Omrörningen var snabb under 30 sekunder. Därefter sänktes omrörningshastigheten till ett lågt värde (periferihastighet<í0,l ms) och aluminiumsulfat-flockar fick tillfälle att utbildas under 20 minu- ter. Lösningen överfördes sedan till en glaskyvett som sattes i en grumlighetsmätare. Grumligheten, som uttrycktes i Jackson Turbidity Units (JTU), avlästes varannan minut under 20 minuter. Vattnets pH- -värde efter flockning var 6-7. Å I figur 3 visas resultatet av dessa försök vid doseringen 9 mg Al/l i biologiskt renat vatten. Det står helt klart, att vattnets grumlig- het minskar snabbast vid användning av den lösning som hade det högsta pH-värdet (3,7 - 3,8), dvs en FALS-lösning. Av figur l framgår, att denna lösning innehåller en högre halt av flerkärniga komplex, symbo- liserad av Al8(0H)2o4+, än de övriga. De flerkärniga jonernas höga laddning förklarar den högre effektiviteten. I figur 4 visas i sta- peldiagram, hur grumligheten minskar i vattnet vid behandlingen.

Minskningen är uttryckt i procent. Dessutom visas resthalten fosfor i filtrerade prover. Det är uppenbart, att resthalten blir minst, där den använda aluminiumsulfatlösningen hade pH-värdet 3,8, dvs när den innehöll maximal mängd flerkärniga komplex (FALS-lösning).

I diagram 5 visas liknande försök i mekaniskt renat vatten. Resulta- tet blev kvalitativt detsamma som i biologiskt renat vatten.

EXEMPEL 3 Vid avvattning av urlakad betmassa i skruvpress med och utan dusch- ning av betmassan med aluminiumsulfatlösningar erhölls de resultat som visas i tabell l nedan.

Den tillsatta aluminiumsulfatlösningen var 30-procentig med avseende på Al2(SD4)3'l4H20, dvs den innehöll l,l mol Al/l och doseringen var 45 g Al per ton betor. Den tillsatta flerkärniga aluminiumsulfatlös- ningen bereddes på så sätt att i 30-procentig aluminiumsulfatlösning inblandades 25-procentig ammoniak i en sådan mängd att lösningens pH-värde blev 3,75. Ammoniaktillsatsen var l,2 moler NH3 per mol Al. ~ 7805135-6 10 15 20 25 30 35 10 Den sålunda beredda flerkärniga aluminiumsulfatlösningen sprutades på betmassan i en mängd motsvarande 45 g A1 per ton betor. Doseringen var sålunda densamma som vid påsprutning med konventionell aluminium- sülfatlösning.

TABELL 1 Avvattning av betmassa i skruvpress. Dosering 45 g Al per ton betmassa.

Förfarande Pressningssteget Torknings- Kemikalie _ energi kostnad + TS Utpressat Kemikalie- torknings- vatten kostnad kostnad % kg/ ton kr/ ton kr/ ton kr/m" betor betor _ betor bet°r Ingen press- 6,0 0 0 2 0 0 ning Pressning 2 utan 22,8 737 0 x x tillsats Pressning 1) - efter till- 25,2 762 0,23 _ x-0,94 x-0,71 sats av ALS-lösn Pressning efter till- 26,4 773 0,262) x-1,35 x-1,09 sats av FALS-lösn TS = torrsubstanshalt U kostnad för ALs 2) kostnad för ALs + NH3 Den kostnadsbesparing som görs genom användning av flerkärniga alumi- niumsulfatlösningar är sålunda så hög som (x-0,7l)-(x-l,09) = = 0,38 kr/ton betor.

Claims (2)

7805135-6 11 PATENTKRAV

1,. _ Förfarande vid behandling av vattenhaltiga system med aluminium- suïfat, k ä n n e t e c k n a t därav, att man vid förfarandet an- vänder en lösning av aïuminiumsulfat innehâ11ande f1erkärníga komplex med formeln: A1m(0H)n (3m'")+ där m och n är positiva hela taï.

2. Förfarande enïigt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att man använder en ïösning, vars pH är ca 3,5 - 4,0.