Методы коагуляции и флокуляции

Методы коагуляции и флокуляции широко применяются в технологической практике подготовки и очистки воды.

При обработке природных вод поверхностных источников первой стадией процесса является осветление, которое проводят с применением коагулянтов, иногда совместно с флоку- лянтами.

При работе со сточными водами эти методы используют на второй стадии очистки после осаждения из воды токсичных примесей или для очистки нефтесодержащих и масляных вод.

Процессы коагуляции и флокуляции применяют для выделения из воды взвешенных твердых частиц, если скорость их естественного осаждения слишком мала (см. табл. 5.4). Значительная часть этих частиц находится в коллоидном состоянии. Устойчивость каждой такой частицы обеспечивается отрицательным зарядом ее поверхности, благодаря которому частицы отталкиваются друг от друга. Одноименный поверхностный заряд препятствует их слипанию и образованию более крупных частиц. В процессе коагуляции коллоидные частицы теряют свой заряд и происходит их агрегирование.

Коллоидные частицы подразделяют на гидрофобные (водоотталкивающие) и гидрофильные (взаимодействующие с водой).

К гидрофобным коллоидам относят глину, которая образует коллоидную систему в природной воде, гидрофильными являются коллоидные органические вещества, которые придают воде цветность.

Мерой величины поверхностного заряда частицы является дзета-потенциал. Для коллоидов, присутствующих в природных источниках воды (pH 5 — 8), дзета-потенциал составляет от -14 до -30 мВ. Чем больше его отрицательная величина, тем больше величина заряда частиц и тем на большем расстоянии они находятся друг от друга. При уменьшении дзета-потенциала расстояние между частицами уменьшается, что увеличивает вероятность их столкновения.

Общая схема такого процесса представлена на рис. 5.5.

Добавление коагулянта способствует образованию частиц с положительными зарядами. Они взаимодействуют с частицами, имеющими отрицательный заряд, и снижают значение дзета- потенциала. Происходит сближение частиц и их укрупнение.

Необходима точная дозировка коагулянта, так как при его избытке поверхность частицы становится вновь заряженной, и частицы переходят в диспергированное состояние.

Для нарушения устойчивости коллоидной системы после введения коагулянта следует провести перемешивание.

Агрегаты, образованные из коллоидных частиц при добавлении коагулянтов, часто имеют размеры, недостаточные для их быстрого осаждения. Для увеличения размеров частиц в раствор добавляют флокулянты.

Флокулянт способствует объединению отдельных укрупненных частиц, образуя между ними мостиковые связи. В результате появляются крупные разветвленные флокулы (рис. 5.6).

Процесс флокуляции ускоряется при медленном перемешивании, когда соединение флокул происходит постепенно. При быстром перемешивании флокулы отдаляются друг от друга и при повторном соединении редко достигают оптимального размера и прочности.

В качестве коагулянтов широко применяются соли алюминия и железа. При добавлении в воду они образуют положительно заряженные частицы. В ходе реакции гидролиза образуется нерастворимый гелеобразный гидроксид алюминия или трехвалентного железа:

Характеристики основных металлосодержащих коагулянтов представлены в табл. 5.7 и 5.8.

Коагулянты на основе металлов чувствительны к изменению pH — если pH не соответствует заданным значениям, то качество осветления воды будет низким. Минеральные кислоты, которые образуются в этих реакциях в качестве побочного продукта, вступают в реакцию с содержащимися в воде щелочами и бикарбонатами, снижают pH и образуют второй побочный продукт — С02.

Таблица 5.7. Железосодержащие коагулянты

Таблица 5.8. Алюмосодержащие коагулянты

В настоящее время предпринимаются попытки разработки такого коагулянта, при использовании которого pH воды не будет меняться.

Одной из усовершенствованных модификаций коагулянта является полиалюминийхлорид. При его использовании в структуру флокул внедряется ион хлора. В этом случае кислота не образуется и щелочность обрабатываемой воды не изменяется.

Еще одним недостатком применения неорганических коагулянтов является образование большого количества осадков, которые плохо поддаются обезвоживанию.

Для устранения отмеченных недостатков разработан новый класс органических коагулянтов и флокулянтов — полиэлектролиты, представляющие собой крупные водорастворимые молекулы органических веществ, которые образованы небольшими молекулами — мономерами, соединенными в длинную цепь. В их структуре имеются центры ионообмена, которыми определяется заряд молекулы-иона. Молекулы, имеющие положительный заряд, — это молекулы-катионы, отрицательный — это молекулы-анионы. Существуют полиэлектролиты, не имеющие заряда иона. Их называют неионными полиэлектролитами.

К катионным полиэлектролитам относятся полиамины, или четвертичные амины. Реакция гидролиза полиамина в воде выглядит следующим образом:

(5.6)

где R — органический радикал, например, СН3— или С2Н5—.

При взаимодействии четвертичных аминов с водой образуется гидроксид-ион ОН~. При высоких значениях pH реакция гидроли- ta смещается влево.

В структуре анионных полиэлектролитов имеется карбоксильная группа (—СООН).

(5.7)

Ионы водорода смещают реакцию влево, и при низких значениях pH анионные полиэлектролиты становятся неионными. Высокомолекулярные неионные полимеры имеют полярную струк- iypy, и обладают способностью притягивать и удерживать коллоидные частицы на полярных участках.

Применение полиэлектролитов обеспечивает ряд преимуществ: образуется меньшее количество осадка, не изменяется pH обрабатываемой воды.

Однако при обработке некоторых видов вод, например, после биологической очистки, они обеспечивают меньшую степень осветления, чем неорганические коагулянты.

В последние десятилетия ведется активный поиск более совершенных и безвредных коагулянтов, в том числе и на основе природных соединений.

Положительные результаты дали работы по исследованию и применению активного оксида кремния (xSi(VyH20) в качестве флокулянта (рис. 5.7).

Проводятся работы по исследованию возможности применения летучей золы и гуминовых кислот.

Летучая зола образуется при горении топлива и уносится из зоны реакции дымовыми газами. Выявлены ее свойства как поверхностного адсорбента анионов и показана возможность применения для очистки природных и промышленных вод.

Гуминовые вещества — это природные коллоидные хелатообразующие вещества с молекулярной массой от 300 до 105 и нерегулярной структурой. В значительной степени они имеют ароматическую структуру, которая содержит фенольные, гидроксильные и карбоксильные группы, способные присоединять ионы металлов.

Гуминовая кислота широко распространена в природе. Ее можно получить из почвы, торфа, низкосортного угля. Растворимая и низкомолекулярная часть гуминовых веществ носит название фулькислот. Гуминовая кислота отличается тем, что она растворима в щелочной среде и нерастворима в кислой среде. Выпадение в осадок гуминовой кислоты при низких значениях pH позволяет легко удалять ее после использования при очистке воды.

Рис. 5.7. Частички ПВХ, окруженные ге-

лем кремниевой кислоты (снимок вы-

полнен с помощью электронного мик-

роскопа)

Эффективно совместное использование летучей золы и гуми- новой кислоты. Летучая зола адсорбирует анионы, а гуминовая кислота связывает катионы.

Известны разработки, в том числе и в промышленном масштабе, получения сложных композиций, обладающих свойствами коагулянтов и флокулянтов, и созданных на их основе природных веществ.

Например, широкую известность и распространение получил сложный коагулянт, выпускаемый датской фирмой «Hudro-Х A\S» на основе морских водорослей.

В табл. 5.9 представлены некоторые промышленные флокулян- ты, используемые в России.