Коагуляция
Коагуляция – это процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты. В очистке сточных вод ее применяют для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ. Коагуляция может происходить самопроизвольно, под влиянием химических и физических процессов. Однако в процессах очистки сточных вод коагуляция происходит под влиянием добавляемых к ним специальных веществ – коагулянтов.
Коагулянты в воде образуют хлопья гидратов оксидов металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести. Хлопья обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их. Так как коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов слабый положительный заряд, то между ними возникает взаимное притяжение. Процесс гидролиза коагулянтов и образования хлопьев происходит по следующим стадиям:
Me3+ + НОН ⇄Ме(ОН)2++ Н+
Ме(ОН)2+ + НОН ⇄ Ме(ОН)2+ + Н+
Ме(ОН)2+ + НОН ⇄ Ме(ОН)3 + Н+
Ме3+ + НОН ⇄ Ме(ОН)3↓ + 3Н+
В качестве коагулянтов обычно используют соли алюминия, железа или их смеси. Выбор коагулянта зависит от его состава, физико-химических свойств и стоимости.
В качестве коагулянтов используются следующие соли алюминия:
ü сульфат алюминия А12(SО4)3∙18Н2О;
ü алюминат натрия NaAlO2;
ü оксихлорид алюминия Al2(OH)5Cl;
ü квасцы алюмокалиевые KAl(SO4)2∙12H2O и аммиачные NH4A1(SO4)2∙12H2O.
Из этих соединений наиболее распространен сульфат алюминия, который эффективен в интервале значений рН = 5…7,5. Он хорошо растворим в воде и имеет относительно низкую стоимость. Его применяют в сухом виде или в виде 50 %-го раствора. При коагулировании сульфат алюминия взаимодействует с гидрокарбонатами, имеющимися в воде:
A12(SО4)3 + 3Са(НСО3)2 ⇄ 2А1(ОН)3↓ + 3CaSO4 + 6CO2
Алюминат натрия применяют в сухом виде или в виде 45 % раствора. Он является щелочным реагентом, при рН 9,3…9,8 образует быстроосаждающнеся хлопья. Для нейтрализации избыточной щелочности можно использовать кислоты или дымовые газы, содержащие СО2:
2NaAlO2 + CO2 + 3H2O ⇄ 2А1(ОН)3 + Na2CO3
В большинстве случаев используют смесь NaAlO2 + Al2(SO4)3 в соотношении (10 : 1) – (20 : 1):
6NaAlO2 + Al2(SO4)3 + 12Н2O ⇄ 8А1(ОН)3 + 3Na2SO4
Совместное употребление этих солей дает возможность повысить эффект осветления, увеличить плотность и скорость осаждения хлопьев, расширить оптимальную область рН среды.
Оксихлорид алюминия обладает меньшей кислотностью и поэтому пригоден для очистки слабощелочных вод; ввиду высокого содержания в нем водорастворимого алюминия ускоряется хлопьеобразование и осаждение коагулированной взвеси, например по реакции:
2А12(OН)5С1 + Сa(НCO3)2 → 4А1(ОН)3 + СаС12 + 2СО2
Из солей железа в качестве коагулянтов используют сульфаты железа Fe2(SO4)3∙2H2O, Fe2(SO4)3∙3H2O и FeSO4∙7H2O, а также хлорное железо FеС13. Наибольшее осветление происходит при использовании солей трехвалентного железа. Хлорное железо применяют в сухом виде или в виде 10…15 %-х растворов. Сульфаты используют в виде порошков. Доза коагулянта зависит от рН сточных вод. Для Fe3+ рН = 6…9, а для Fe2+ рН = 9,5 и выше. Для подщелачивания сточных вод используют NaOH и Са(ОН)2. Образование хлопьев протекает по реакциям:
FeCl3 + 3Н2О → Fe(OH)3 + 3НС1
Fe2(SO4)3 + 6Н2О → 2Fe(OH)3 + 3H2SO4
При подщелачивании сточных вод протекают следующие реакции:
2FeCl3 + 3Са(ОН)2 → 2Fe(OH)3 + ЗСаС12
Fe2(SO4)3 + 3Ca(OH)2 → 2Fe(OH)3 + 3CaSO4
Соли железа как коагулянты имеют ряд преимуществ перед солями алюминия:
ü лучше действуют при низких температурах воды;
ü для них более широкая область оптимальных значений рН среды;
ü большая прочность и гидравлическая крупность хлопьев;
ü их можно использовать для вод с более широким диапазоном солевого состава;
ü они способны устранять вредные запахи и привкусы, обусловленные присутствием сероводорода.
Однако имеются и недостатки: при реакции катионов железа с некоторыми органическими соединениями образуются сильно окрашивающие растворимые комплексы; соли железа обладают сильными кислотными свойствами, усиливающими коррозию аппаратуры; они имеют менее развитую поверхность хлопьев.
При использовании смесей A12(SO4)3 и FeCl3 в соотношениях 1 : 1 до 1 : 2 достигается лучший результат коагулирования, чем при раздельном использовании реагентов. Происходит ускорение осаждения хлопьев.
Кроме названных коагулянтов для обработки сточных вод могут быть использованы различные глины, алюминийсодержащие отходы производства, травильные растворы, пасты, смеси, шлаки, содержащие кремнекислоту.
Прочность хлопьев зависит от гранулометрического состава и пластичности образующихся частиц. Агломераты частиц, неоднородных по размеру, прочнее, чем однородных. Вследствие выделения газов из воды, а также в результате аэрации и флотации происходит газонасыщение хлопьев, которое сопровождается уменьшением объемного веса хлопьев и уменьшением скорости осаждения.
Флокуляция
Флокуляция – это процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении в сточную воду высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами. В отличие от коагуляции при флокуляции агрегация происходит не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия молекул адсорбированного на частицах флокулянта.
Флокуляцию проводят для интенсификации процесса образования хлопьев гидроксидов алюминия и железа с целью повышения скорости их осаждения. Использование флокулянтов позволяет снизить дозы коагулянтов, уменьшить продолжительность процесса коагулирования и повысить скорость осаждения образующихся хлопьев.
Для очистки сточных вод используют природные и синтетические флокулянты. К природным флокулянтам относятся крахмал, декстрин, эфиры, целлюлоза, др. Активная кремневая кислота (xSiO2 ∙yH2O) является наиболее распространенным неорганическим флокулянтом. Из синтетических органических флокулянтов наибольшее применение в нашей стране получил полиакриламид технический (ПАА) и гидролизованный (ГПАА). Технический ПАА получают при взаимодействии акрилонитрила с серной кислотой с последующей полимеризацией акриламида. Гидролизованный полиакриламид получают омылением технического ПАА щелочью.
При выборе состава и дозы флокулянта учитывают свойства его макромолекул и природу диспергированных частиц. Оптимальная доза ПАА для очистки промышленных сточных вод колеблется в пределах 0,4…1 г/м3. Полиакриламид технический действует в широком диапазоне рН среды. Однако скорость осаждения сфлокулировавших хлопьев при рН = 9 уменьшается.
Механизм действия флокулянтов основан на следующих явлениях:
· адсорбции молекул флокулянта на поверхности коллоидных частиц;
· ретикуляции (образовании сетчатой структуры) молекул флокулянта;
· слипании коллоидных частиц за счет сил Ван-дер-Ваальса.
Процесс очистки сточных вод коагуляцией и флокуляцией состоит из следующих стадий: дозирования и смешения реагентов со сточной водой; хлопьеобразования и осаждения хлопьев (рис. 4.20).