Theoretische achtergronden

‘Theoretische Achtergronden Vlokmiddelen’

Vlokmiddelen kunnen worden onderverdeeld in onderstaande groepen, namelijk:

  • Anorganisch of organisch
  • Laag moleculair (primair) of hoog moleculair gewicht (secundair)

of op basis van de lading in:

  • Anionisch
  • Cationisch
  • Niet-ionogeen (non-ionisch)

Vlokmiddelen worden algemeen toegepast bij scheidingsprocessen van vaste stof – vloeistof, waarbij de vloeistof bestaat uit water. Vlokmiddelen coaguleren of vlokken de in water gesuspendeerde vaste stoffen uit en verbeteren als zodanig de scheiding vaste stof – water.
De anorganische vlokmiddelen worden reeds tientallen jaren toegepast en bestaan uit aluminium- of ijzerzouten. Van recentere datum zijn de organische vlokmiddelen.
Er wordt hierna nader ingegaan op de werking en onderlinge verschillen tussen de diverse typen vlokmiddelen. Met name de groep synthetische organische vlokmiddelen komt aan bod.

De synthetische organische vlokmiddelen worden ook wel poly–elektrolyten genoemd. Elektrolyt vanwege de elektrische lading in waterige oplossing en poly omdat wij hier met polymeren te maken hebben.
De groep synthetische organische vlokmiddelen bestaat grotendeels uit co-polymeren van enerzijds acrylamide (als neutraal monomeer) en anderzijds een cationisch of anionisch monomeer.
Bij co-polymerisatie van acrylamide met het anionisch of cationisch geladen monomeer, verkrijgt men polymeren met een negatieve of een positieve lading. De ladingsdichtheid kan men variëren door de verhouding acrylamide/geladen monomeer te wijzigen.

Co-polymerisatie tot anionisch polymeer

Afv-Samenstelling01

Co-polymerisatie tot cationisch polymeer

Afv-Samenstelling02

Er bestaan echter ook homopolymeren van acrylamide (volstrekt neutraal polyacrylamide) en homopolymeren van cationische (100% cationisch polymeer) ofwel anionische monomeren (100% anionisch polymeer). In de praktijk bestaat er dan ook een ruim aanbod aan synthetisch organische vlokmiddelen, dat het gehele gebied van 100% cationisch, via neutraal naar 100% anionisch bestrijkt.
Polymerisatie tot non-ionisch polymeer

Afv-Samenstelling03

Behalve de lading kan ook de ketenlengte van het vlokmiddel gevarieerd worden. Men onderscheidt LMW (Low Moleculair Weight) en HMW (High Molecular Weight) vlokmiddelen.
De LMW vlokmiddelen hebben een moleculair gewicht tussen 10.000 – 100.000 en hebben een korte ketenlengte.
De HMW vlokmiddelen hebben moleculaire gewichten van 1 miljoen tot tientallen miljoenen en hebben een lange koolwaterstofketen.
De synthetisch organische vlokmiddelen zijn dus koolwaterstoffen met korte of lange ketens met daaraan positief (cationisch), negatief (anionisch) of geen geladen groepen (non-ionisch).

Vlokmiddelen worden toegepast ter verbetering van de afscheiding van fijne colloïdale of gesuspendeerde deeltjes uit water. Hoe fijner het gesuspendeerde materiaal, des te moeilijker het scheidingsproces.
Om het scheidingsproces te vergemakkelijken zou men de fijne deeltjes moeten samenballen tot grotere (Wet van Stokes), doch dit is niet mogelijk doordat deze deeltjes elkaar afstoten vanwege hun in beginsel uniforme lading. Afhankelijk van de aard en samenstelling van de gesuspendeerde deeltjes, bezitten deze in waterig milieu in het algemeen een zekere lading; zo bezitten de gesuspendeerde / colloïdale deeltjes van natuurlijke (organische) oorsprong in bijvoorbeeld rivierwater meestal een negatieve lading.
Anorganische deeltjes hebben in waterig milieu in het algemeen een positieve lading.
Ionisatie speelt bij het ladingskarakter van de deeltjes een belangrijke rol.
Wordt nu aan de te behandelen waterige suspensie een vlokmiddel toegevoegd met een lading tegengesteld aan die van de gesuspendeerde deeltjes, dan zullen deze deeltjes aangetrokken worden door de tegengesteld geladen groepen in het polymeer en bij wederzijds contact worden ontladen (gedestabiliseerd), waardoor tevens de onderling afstotende krachten tussen de deeltjes wegvallen. De deeltjes worden “gebonden”aan het polymeer en aldus vindt vlokvorming plaats.
Hoe groter de ketenlengte van het vlokmiddel, des te meer gesuspendeerde deeltjes “gebonden” kunnen worden, des te groter de gevormde vlok.
Nu zal de vlokvorming alleen plaats kunnen vinden indien het vlokmiddel in intensief contact wordt gebracht met deze gesuspendeerde deeltjes en dit wordt gerealiseerd door goed te roeren of mengen.
Hoe homogener het vlokmiddel in de waterige suspensie wordt verdeeld, hoe beter de vlokvorming. Dus zal zeer intensief moeten worden gemengd, direct na additie van het polymeer. Zodra de eerste vlokvorming heeft plaatsgevonden zal de toegevoerde energie aanmerkelijk verminderd dienen te worden. Immers door te hoge energie zullen de gevormde vlokken weer stukgeslagen worden, maar anderzijds zal toch nog enige menging plaats moeten vinden om botsingskansen tussen de nog niet gedestabiliseerde deeltjes en het vlokmiddel in stand te houden; er zal dus matig gemengd moeten worden (licht turbulente stromingscondities).
Worden deze licht turbulente stromingscondities gehandhaafd, dan zal voortdurend vlokgroei plaatsvinden.

De zojuist geschetste situatie geldt overigens alleen voor zeer verdunde suspensies (minder dan 0,6% onopgeloste deeltjes, bijvoorbeeld rivierwater) en voor synthetisch organische vlokmiddelen. Bij wat geconcentreerder suspensies (1-10% vaste stof) worden vrijwel uitsluitend HMW polymeren toegepast en wordt kort en krachtig gemengd; lange menging heeft hier vlokafbraak tot gevolg.

Bij de anorganische vlokmiddelen (IJzer of Aluminium zouten) is het mengen minder kritisch; heeft vlokvorming plaats gehad, dan zal langer roeren weinig invloed hebben op de grootte van de oorspronkelijke vlok (geen vlokgroei). Bij deze groep vlokmiddelen is echter wel de pH cruciaal; wordt niet bij de optimale pH gewerkt, dan is de vlokvorming niet optimaal of blijft zelfs geheel achterwege.

Anorganische vlokmiddelen (Fe- of Al-zouten)

VOORDELEN

NADELEN

Betrekkelijk goedkoop pH afhankelijk; voor optimale werking is pH regeling vereist
Werkt tamelijk universeel Veelal corrosief (zuur)
Meng- en roercondities zijn minder kritisch Produceert volumineuze, waterhoudende vlokken, die zich moeilijk verder laten ontwateren
Kan naast een fysische reactie (ontlading) ook een chemische reactie aangaan, waardoor ook evt. opgeloste stoffen kunnen worden geprecipiteerd Kan ongewenste chemische reacties aangaan
Hoge asrest bij verbranding

Synthetisch organische vlokmiddelen

VOORDELEN

NADELEN

In groot pH gebied werkzaam Werkt selectief
Niet corrosief Meng en roercondities zijn kritisch voor optimale vlokvorming
Vermogen tot vlokgroei Bij HMW vlokmiddelen is apparatuur vereist voor aanmaak van oplossingen
Produceert compacte vlokken (weinig slib),die relatief weinig water bevatten Kan uitsluitend gesuspendeerde stoffen uitvlokken, laat de opge-loste stoffen ongemoeid
Milieuvriendelijk; biologisch afbreekbaar

 

LMW VLOKMIDDELEN

HMW VLOKMIDDELEN

Oplossingen in water zijn minder viskeus Oplossingen in water zijn hoog viskeus
Lang (2-5 minuten) en intensief roeren is noodzakelijk voor optimale vlokvorming Kort (20-40 seconden) en intensief roeren voor optimale werking
Voor het uitvlokken van zeer fijne(colloïdale) deeltjes het meest geschikt Voor het uitvlokken van wat grovere delen (rioolslib, zand, enz.) komen HMW polymeren het meest in aanmerking
Worden gebruikt als primair vlokmiddel bij behandeling van zeer verdunde suspensies, zoals bv. Rivierwater, koelwater Worden gebruikt als secundair vlokmiddel (vlokhulpmiddel) bij behandeling van zeer verdunde suspensies
Vinden weinig of geen toepassing bij behandeling van geconcentreerder suspensies zoals rioolslib Worden algemeen toegepast bij behandeling van geconcentreerde suspensies zoals bv. rioolslib
Vormen kleine tot middelgrote vlokken Vormen grote vlokken
Worden geleverd als 10-50% oplossingen in water In de handel gebracht als emulsie of in poedervorm
Kunnen in lijn worden voorverdund met water Moeten voor gebruik opgelost worden in water, waarvoor apparatuur is vereist
Voorverdunde oplossingen zijn direct voor gebruik gereed Oplossingen (0,1-0,5%) vragen een bepaalde “rijpingstijd” (30-90 minuten) alvorens voor gebruik gereed zijn

 

Fijne colloïdale deeltjes in water zijn in het algemeen zeer hoog geladen. Bij behandeling met een HMW polymeer zal deze zich als een kluwen om dit deeltje slaan en krijgt men restabilisatie in plaats van destabilisatie. LMW polymeren zijn vanwege hun zeer hoge ladingsdichtheid veel beter in staat fijne colloïdale deeltjes te destabiliseren en uit te vlokken, zij het ook dat de gevormde vlokken klein zijn. Men zal daarom in de praktijk vaak ook een HMW polymeer moeten toevoegen om de vlok te vergroten.

Heeft men dus water te behandelen dat weinig gesuspendeerd materiaal bevat, maar waarbij de deeltjes zeer fijn zijn, dan is men vaak gedwongen om een combinatie van LMW en HMW vlokmiddelen toe te passen.

CATONISCHE VLOKMIDDELEN

ANIONISCHE VLOKMIDDELEN

Worden in het algemeen gebruikt voor uitvlokken van deeltjes van organische aard Toegepast bij uitvlokken van deeltjes van anorganische oorsprong
Werkzaam bij pH 3-9 Werkzaam bij pH 4-11
Verdunde oplossingen hebben een beperkte stabiliteit Verdunde oplossingen hebben een wat betere stabiliteit

 

Indien hierboven aangegeven is, werkzaam in een bepaald pH gebied, dan wil dat niet zeggen dat de vlokmiddelen buiten dit gebied niet werkzaam zouden zijn.
Dit is wel degelijk het geval, alleen gaat dit ten koste van een aanzienlijk hogere dosering van het vlokmiddel. In de extreme pH gebieden kleiner dan 3 en groter dan 11 worden in het algemeen
Non-ionische vlokmiddelen toegepast; de gevormde vlokken zijn wat zwakker, omdat de binding tussen gesuspendeerd deeltje en vlokmiddel zwakker is dan bij de geladen vlokmiddelen.

Om te illustreren dat pH een belangrijke rol kan spelen, het volgende voorbeeld.
Rioolslib wordt hoofdzakelijk met behulp van cationische vlokmiddelen ontwaterd.

Behandelt men dit slib echter met kalk tot een pH 10-11, dan worden ineens met anionische vlokmiddelen betere resultaten behaald dan met cationische vlokmiddelen.

Ten aanzien van de stabiliteit van oplossingen van vlokmiddelen in water geldt algemeen: hoe meer de oplossing is verdund, hoe beperkter de houdbaarheid is.
Ook de kwaliteit van het oploswater is van invloed; hoe slechter de kwaliteit, des te beperkter de houdbaarheid van de oplossing.

Gaan wij uit van een goede kwaliteit water, bijvoorbeeld leidingwater met minder dan 10° dH dan geldt de volgende houdbaarheidstabel.

CONCENTRATIE

ANIONISCH

CATIONISCH

1 % 1 Maand 1 Week
0,5 % 15 dagen 3 Dagen
0,1 % 4 dagen 1 Dag

Laat een reactie achter