ELEKTROKOAGULAATION (EC) HYÖDYNTÄMINEN RAVINTEIDEN TALTEENOTOSSA
ESITYKSEN RAKENNE Elektrokoagulaatio (EC) Teoriaa EC-kokeet ja niiden tulokset Demonstraatiovideo turvesuovesien EC-käsittelystä Yhteenveto Jatkosta
TEORIAA - EC Elektrokoagulaatio (electrocoagulation, EC) on kiivaan tutkimustoiminnan kohteena oleva ekotehokas vesienkäsittelyteknologia, joka yhdistää perinteisen kemiallisen koagulaation (chemical coagulation, CC) ja elektrolyysin edut ja toiminnot Koagulaatio/flokkulaatio on yksi yleisimmistä vesien ja jätevesien käsittelymenetelmistä Pienikokoiset varaukselliset haitta-ainepartikkelit destabiloidaan ja agglomeroidaan (yhdistetään) suuremmiksi yhteenliittymiksi eli flokeiksi, jotka voidaan erottaa vedestä joko laskeuttamalla tai nostamalla ne pintaan erillisellä ilmakuplituksella (flotaatio) Yksinkertaisimmillaan EC-laitteisto voi koostua yhden anodin ja katodin sisältävästä elektrolyysikennosta Menetelmän periaate on tunnettu jo yli 100 vuotta Hidas yleistyminen ja kehitystyö johtuu siitä, että pitkälle viime vuosisadan puolelle sähkön hinta ja investointikustannukset olivat huomattavasti nykyistä korkeampia
TEORIAA - EC EC perustuu metallianodin liukenemiseen (Al tai Fe) Faradayn lain mukaisesti ja sitä seuraavaan koagulaatioon/flokkulaatioon, jota seuraa elektroflotaatio mikroskooppisilla katodilla muodostuvilla vetykuplilla:, missä m Me = liuenneen metallin massa [g] I = sähkövirta A]; t = aika [s] M = anodimetallin moolimassa [g/mol] z = yksikkövaraus [z Al = 3, Z Fe = 2] F = Faradayn vakio = 96485 A*s/mol EC-kennossa tapahtuvat reaktiot: Anodilla: Al(s) Al 3+ (aq) + 3 e - Fe(s) Fe 2+ (aq) + 2 e - Fe 2+ (aq) Fe 3+ (aq) + e - Katodilla: 2 H 2 O(l) + 2 e - H 2 (g) + 2 OH - (aq) E = +1,66 V E = +0,44 V E = -0,77 V E = -0,83 V
EC:N EDUT CC:HEN NÄHDEN Taloudellisuus Pienehköt investointi-, huolto-, energia-, ja käsittelykustannukset Selkeästi pienemmät muodostuvat lietemäärät, lietteen parempi laatu Pienempi vesipitoisuus (helpompi kuivata), suuremmat, stabiilimmat ja paremmin erottuvat flokit Liittyy suoraan 1. kohtaan Vähentää lietteen käsittelyn tarvetta Samanlainen tai hitusen parempi puhdistustehokkuus Elektroforeesi (sähkökentän aikaan saama voima) voi pakottaa pienimmätkin partikkelit liikkeelle ja täten alttiiksi poistamiselle vedestä
EC:N EDUT CC:HEN NÄHDEN Ei kemikaalilisäyksiä, eikä näin ollen sekundääristä saastumista Johtokykyä voidaan joutua lisäämään esim. NaCl:lla Ainoa käytetty kemikaali on elektroni, mikä tekee EC:stä ns. vihreän teknologian Helposti automatisoitavissa, huollettavissa ja moduloitavissa, yksinkertaiset ja pienikokoiset laitteistot Mahdollistaa epäkeskitetyn käsittelyn Selkeästi suurempi toiminnallinen ph-alue, ph:n neutralointiefekti Useasti ph:n säätöä ei tarvita Yhtäaikainen elektroflotaatio eli ilmakuplitus Soveltuu kylmille vesille Tärkeä teknillis-taloudellinen tekijä kylmien luonnonvesien käsittelyssä
EC:N HEIKKOUDET Ei laajasti hyväksyttyä matemaattista/kineettistä mallia Yksittäistapausten adsorptiokinetiikkaa on kuitenkin mallinnettu onnistuneesti Veden johtokyvyn tulee olla riittävän suuri Lisätään tarvittaessa (yleensä) NaCl:a Muodostuvan vetykaasun räjähdysvaara Käytännössä vain teoreettisella tasolla, lisäksi kaasun keräämistä ja käyttöä EC-prosessin energianlähteeksi on tutkittu onnistuneesti Elektrodien passivaatiota voi esiintyä Hidas oksidikerroksen muodostuminen elektrodien pintaan Haittaa elektroninvaihtoreaktioita ja siten metallin liukenemista, nostaa sähkönkulutusta Elektrodien ajoittainen mekaaninen puhdistaminen voi ehkäistä Ongelmaan ei ole vielä yleispätevää ratkaisua Pulssimaisen vaihtovirran (APC) käyttäminen on lupaava ratkaisu
EC-PROSESSIN TEHOKKUUTEEN VAIKUTTAVAT AVAINTEKIJÄT Elektrodimateriaalit Al, Fe, ruostumaton teräs (SS) Liuoksen alku-ph Virrantiheys [A/m 2 ] ja käsittelyaika [min] Määrittävät metallin annostelun Haitta-aineen alkupitoisuus Pientä vaikutusta myös: Veden lämpötilalla ja virtausnopeudella (sekoittuminen) Elektrodien välisellä etäisyydellä
RECENT APPLICATIONS OF ELECTROCOAGULATION IN TREATMENT OF WATER AND WASTEWATER A REVIEW V. Kuokkanen, T. Kuokkanen, J. Rämö & U. Lassi, Green and Sustainable Chemistry, 2013 (2), 89-121. 32 pp., lähes 100 läpikäytyä kirjallisuusartikkelia http://www.scirp.org/journal/paperdownload.aspx?paperid=31993 Ympäristöalan uusin kirjallisuus etenkin aivan viime vuosien aikana osoittaa voimakasta kiinnostuksen kasvua erilaisten jätevesien EC-käsittelyä kohtaan Laaja kokoomajulkaisu pääasiassa vuosien 2008-2011 aikana julkaistujen erityyppisten vesien ja jätevesien ECkäsittelyä koskevien tutkimusartikkelien tuloksista Osoittaa laajan ja moninaisen toteuttamiskelpoisten ECsovellusten kirjon
RECENT APPLICATIONS OF ELECTROCOAGULATION IN TREATMENT OF WATER AND WASTEWATER A REVIEW Katsaus käsiteltyjen EC-sovellutusten optimaalisiin prosessiolosuhteisiin, saavutettuihin puhdistustehokkuuksiin (enimmäkseen korkeita) ja käsittelykustannuksiin Käsittelykustannusten voidaan katsoa muodostuvan liukevan metallin [g] ja kulutetun sähköenergian [kwh] hinnasta EC-käsitellyt vedet ja jätevedet jaoteltiin 7 eri kategoriaan: Tekstiili- ja nahkateollisuuden sekä muut väriainepitoiset jätevedet Paperi- ja selluteollisuuden jätevedet Öljyiset jätevedet Ruokateollisuuden jätevedet Muuntyyppiset teolliset jätevedet Pintavedet Raskasmetalleja, ravinteita, syanidia tai muita ioneja sisältävät synteettiset malliaineliuokset Huom! Turvesoiden humuspitoisten vesien EC-käsittelystä tai EC-sakkojen hyödyntämisestä ei löytynyt tietoa!
MENEILLÄÄN OLEVIEN EC-TUTKIMUSTEN TULOKSIA 1. SYNTEETTISTEN FOSFAATTIPITOISTEN JÄTEVESIEN EC-KÄSITTELY Meneillään olevien synteettisten fosfaattipitoisten (alkupitoisuus = 15 50 mg/l) laboratoriomittakaavan EC-kokeiden tuloksista havaitaan, että: Hyvin lyhyt (5 10 min, 100 A/m 2 ) EC-käsittely poistaa fosfaatin vedestä lähes kokonaan Sekä Al- että Fe-anodit toimivat, toimii laajalla ph-skaalalla Käsittelykustannusten laskettiin olevan erittäin matalat; 0,12 0,24 /m 3 (arvio) kumpaakin anodimateriaalia käyttäen
2. FOSFAATTIPITOISTEN TEOLLISTEN JÄTEVESIEN EC-KÄSITTELY Al-EC-kokeita suoritettu meijerin ja apatiittikaivoksen jätevesille Tulokset lupaavia (korkeat reduktioprosentit), käsittelyajat 30-60 min, käsittelykustannukset pienehköjä (n. 0,3 /m 3 molemmille) EC-sakat sisälsivät erittäin paljon fosforia Uusi innovaatio: hyötykäyttö esim. tuhkarakeiden seassa lannoitteena Lähitulevaisuudessa fosforista on ennustettu olevan globaali pula, vaikuttaen suoraan mm. ruoantuotantoon Tieteellinen artikkeli julkaisuvaiheessa (revised & resubmitted) Sisältää myös synteettisten vesien tulokset (edellinen dia)
3. SYNTEETTISTEN HUMUSPITOISTEN JÄTEVESIEN EC-KÄSITTELY -Kaupallisen humushapon alkupitoisuus kokeissa 100 mg/l Elektrodikonfiguraatio Energiankulutus [kwh/m 3 ] Käsittelykustannukset [kwh/m 3 ] -Kokeiltiin sekä Al/Fe- että Fe/Alelektrodikonfiguraatiolla, molemmat toimivat hyvin Al/Fe 1,24-1,29 0,2 Fe/Al 0,82-0,83 0,13
4. TURVESUON HUMUSPITOISTEN LASKUVESIEN EC- KÄSITTELY Uusi sovellutuskohde EC:lle Tieteellinen artikkeli tulossa, 1. versio lähes valmis Uusi innovaatio: Ravinteita sisältävää EC-sakkaa (matala jäännösmetallipitoisuus) voitaisiin sekoittaa rakeistettavaan tuhkamassaan ja näin tuottaa uudentyyppistä eko-, kustannus- ja materiaalitehokasta lannoitetta Lisäksi, EC- ja tuhkaadsorptiokäsittelyjen hybridisaatiota tässä sovelluksessa tullaan tutkimaan
Reduktio [%] 4. TURVESUON HUMUSPITOISTEN LASKUVESIEN EC- KÄSITTELY 100 80 60 40 20 0-20 EC Turvesuon laskuvesi, reduktiot kokonaisfosforille & -typelle 0 10 20 30 40 50 60 t [min] - Käsittelyaika: 10 15 min - Käsittelykustannukset: 0,15 0,2 /m 3 (arvio) - Toimii myös kylmälle vedelle ja nostaa veden ph:n selkeästi happamasta neutraaliksi, sekä Al että Fe toimivat - Myös COD Mn - ja DOC-arvot laskivat (85 90 % ja 70 75 %) ja kaikki vedessä ollut kiintoaines poistui (visuaalisesti tarkasteltuna) 0 min 5 min 10 min 15 min 30 min 60 min
TUHKA-ADSORPTION JA EC-KÄSITTELYN HYBRIDISAATIO MIKSI? Hybridisaatio: mikään menetelmä yksinään ei yleensä ole riittävän toimiva Tuhkakäsittely nostaa veden sähkönjohtavuutta (vähän) Vähentää NaCl-lisäyksen tarvetta EC edullinen ja tehokas menetelmä, sen virrankulutus suhteellisen pieni, joten mahdollisesti toteutettavissa aurinkokennoin luonnossa, lisäksi toimii kylmille vesille Ravinnerikkaan EC-sakan hyödyntäminen Tuhkarakeet rikastetaan ravinteilla ja hyödynnetään 2. sukupolven lannoitteina Rakeiden toimintoja tehostaan teollisin sivutuotelisäainein
YHTEENVETO EC on eko-, kustannus- ja materiaalitehokas vesienkäsittelyteknologia, jota tutkitaan tällä hetkellä maailmanlaajuisestikin kuumeisesti ja jolle kehitetään uusia sovellutuksia jatkuvasti Oulun yliopisto on tässä kehityksessä mukana, uusien innovaatioiden kera Mm. turvesoiden vesienkäsittely, kaivosvedet, erilaiset teolliset jätevedet Ravinnerikkaiden EC-sakkojen hyötykäyttö VILLE KUOKKANEN/Kemian laitos 21.11.2014
JATKOSTA Aidoilla turvevesillä lisää EC-kokeita Suurempi 1 m 3 -kokoluokan EC-koelaitteisto rakennettu yhteistyössä Rakeistus Oy:n (Oulu) kanssa Ensimmäiset humusvesi-ec-kokeet jo suoritettu Humuspitoisten turvesuovesien (luonnontilassa) käytännön EC-pilotointia yhteistyössä Rovaniemen Metlan kanssa osana EAKR-ELY-keskus hanketta (2015-2017) Mahdollisesti myös tuhkaraeadsorptiokokeita Myös useita muita EC-yhteistyöhankkeita vireillä VILLE KUOKKANEN/Kemian laitos 21.11.2014
KIITOKSIA AJASTANNE! KYSYMYKSIÄ? VILLE KUOKKANEN/Kemian laitos 21.11.2014