Коагуляция и флокуляция

Нерастворенные примеси природных вод полидисперсны, и способность их к седиментации под действием гравитационных сил различна.

Ниже приведены ориентировочные данные о седиментационных свойствах взвешенных частиц, составляющих обычный набор примесей природной воды при осаждении в вертикальном столбе воды высотой 1 м.

Седиментационные свойства примесей природной воды

Материал примеси Диаметр частиц, мм Ориентировочное время осаждения в столбе высотой 1 м
Гравий 10 1 c
Песок 1 10 c
Мелкий песок 0,1 2 мин
Глина 0,01 2 ч
Бактерии 0,001 8 сут
Коллоидные частицы 0,001-0,00001 2 года - 20 лет

Из таблицы видно, что естественное осаждение основных примесей воды — мелких глинистых и им подобных частиц, а тем более коллоидных частиц — проходит очень медленно. Для ускорения процесса осаждения систему нужно дестабилизировать, понизить ее агрегативную устойчивость. Воздействие на систему в нужном направлении — снижение ℑ-потенциала, ассоциация частиц и их седиментация — достигается применением коагулянтов и флокулянтов.

В качестве коагулянтов чаще всего используют соли алюминия и железа: сульфат алюминия Al2(SO4)3·18H2O, алюминат натрия NaAlO2, сульфат железа (II) FeSO4·7H2O (железный купорос), хлорид железа (III) FeCl3·6H2O.

В воде эти соли подвергаются ступенчатому гидролизу по схеме:

Me3+ + H2O Me(OH)2+

Me(OH)2+ + H2O Me(OH)2+ + H+

Me(OH)2+ + H2O Me(OH)3 + H+

Me3+ + 3H2O Me(OH)3 + 3H+

Полнота процесса гидролиза коагулянта достигается только при условии связывания образующихся ионов водорода. В природных водах ионы НСО3 в совокупности с растворенной угольной кислотой образуют буферную систему, емкость которой определяется концентрацией ионов НСО3 Участвуя в реакции Н + + НСО3 Н2СО3, ионы НСО3 обеспечивают полный гидролиз коагулянта. Однако в ряде случаев природная буферность воды оказывается недостаточной для нейтрализации всех ионов и приходится прибегать к предварительному подщелачиванию воды известью или кальцинированной содой.

Степень гидролиза повышается при разбавлении растворов и повышении температуры.

Гидролиз хлорного железа по схеме приводит к образованию Fe(OH)3. Выделение твердого гидроксида железа — первая стадия образования коллоидной частицы. Хлопья Fe(OH)3 интенсивно образуются при значении рН = 5—7 с оптимумом в диапазоне рН = 6,1—6,5. Минимальная растворимость гидроксида железа (III) наблюдается в изоэлектрической точке, соответствующей значению рН = 6,5.

Гидролиз солей алюминия по схеме приводит к образованию Al(ОН)3 — типичного амфотерного соединения, способного растворяться как в кислой, так и в щелочной среде:

Al(ОН)3 + 3H+ Al3+ + 3H2O;

Al(ОН)3 + OH- AlO2 + 2H2O;

Минимальную растворимость гидроксид алюминия имеет при рН = 6,5—7,5. Мицелла золя Al(ОН)3 имеет следующее строение:

Гидрозоли алюминия и железа образуют пространственные структуры, напоминающие сетку, в ячейках которой находится вода. Формирующиеся структуры имеют очень развитую высокопористую поверхность, поэтому обладают большой адсорбционной способностью.

Коллоидные примеси воды, обусловливающие ее цветность, адсорбируются на хлопьях гидроксидов, и вследствие разноименности зарядов гидроксидов и частиц примесей последние прочно фиксируются на поверхности адсорбента.

Собственно коагуляции подвергаются гидрозоли алюминия и железа. Коагуляция их происходит под действием электролитов, присутствующих в воде. Поскольку коллоидные частицы гидроксидов алюминия и железа заряжены положительно, коагулирующими ионами для них являются анионы (SO2- , Сl-, НСО3).

Агломерация коллоидных частиц, обусловливающих мутность воды, происходит в результате сжатия одновалентных катионов диффузного слоя на более активные трехвалентные катионы алюминия или железа, всегда присутствующие в растворе при введении коагулянта. Это приводит к снижению ℑ-потенциала частиц примесей и их коагуляции. Осветление воды происходит также в результате прилипания частиц взвеси к хлопьям гидроксида. Большое значение имеет ортокинетическая коагуляция вследствие захватывания частиц сеткой оседающих хлопьев гидроксидов алюминия или железа.

Процесс коагуляции заканчивается выведением из очищенной воды отработанного сорбента.

Для определения оптимальной дозы коагулянта проводят пробное коагулирование, по результатам которого строят коагуляционную кривую — зависимость остаточной мутности или цветности от дозы коагулянта. Доза, соответствующая минимальной концентрации остаточных загрязнений, считается оптимальной.

Для ускорения осаждения хлопьев необходимо их укрупнение, что достигается использованием флокулянтов. Из неорганических флокулянтов чаще всего применяют активированный кремнезем (H2SiO3)4. Растворы кремниевой кислоты нестабильны, и поэтому их готовят непосредственно перед использованием. Из органических флокулянтов наибольшее распространение в нашей стране получили полиакриламид (ПАА), полифункциональные полимеры амфотерного типа К-4 и К-6, катионный флокулянт ВА-2.

Полиакриламид — сополимер акриламида и аммониевых, натриевых или кальциевых солей акриловой кислоты СН2=СН—СООН. Карбоксильные группы придают молекуле ПАА свойства анионного полиэлектролита, диссоциирующего в воде с образованием полимерного аниона и простых катионов. Молекулы ПАА образуют ассоциаты в виде длинных цепочек. Вследствие адсорбционного взаимодействия молекулы ПАА одновременно с несколькими частицами гидроксида алюминия и железа образуются тяжелые, крупные и прочные агрегаты, легко оседающие.

Флокулянты типа К получают омылением полиакрилнитрила [—СН2—СН—CN]n, в результате чего в составе полимера оказываются карбоксильные, аминные и другие группы, обусловливающие амфотерный характер полиэлектролита.

Катионные флокулянты представляют собой четвертичные аммониевые соли на основе полистирола и поливинил толуола. К их числу относится флокулянт ВА-2, макроионы которого имеют положительный заряд. Адсорбируясь на отрицательно заряженных коллоидных примесях воды, он образует крупные агрегаты. В определенных условиях ВА-2 может быть использован без минеральных коагулянтов.

Дозы флокулянтов, требуемые для удовлетворительного осаждения, очень малы — обычно менее 1 мг/л; если же реагент используется в роли не только флокулянта, но и собственно коагулянта, то дозы повышаются.

Выделение взвешенных веществ из сточных вод обычно осуществляется безреагентным путем, по крайней мере, на первых стадиях их обработки. Однако в последние годы была разработана схема физико-химической очистки городских сточных вод, когда уже на первой стадии обработки к воде добавляют реагенты — сульфат алюминия или хлорное железо и известь, после чего смесь направляют в первичные отстойники для отделения взвешенных частиц от воды. В этом случае происходит несколько процессов — коагуляция, флокуляция, соосаждение, сорбция примесей. Дозы реагентов в несколько раз выше, чем требуемые для обработки природных вод.

При очистке производственных сточных вод большой интерес представляет применение в качестве коагулянтов отходов производства — шламов и отработанных растворов. Так, при производстве этилбензола в качестве отхода получается хлорид алюминия, при травлении металлов — сульфат двухвалентного железа и т. д.

www.ovode.net 2011