Коагуляція (стор. 1 із 2)
Коагуляція – це злипання частинок колоїдної системи при їх зіткненнях у процесі теплового руху, перемішування або спрямованого переміщення у зовнішньому силовому полі. В результаті коагуляції утворюються агрегати - більші (вторинні) частинки, що складаються з скупчення дрібних (первинних). Первинні частинки в таких агрегатах з'єднані силами міжмолекулярної взаємодії безпосередньо або через прошарок навколишнього (дисперсійного) середовища. Коагуляція супроводжується прогресуючим укрупненням частинок та зменшенням їх загального числа в обсязі дисперсійного середовища (у нашому випадку – рідини). Злипання однорідних частинок називається гомокоагуляцією, а різнорідних – гетерокоагуляцією.
Мал. 1. Будова міцели
А – адсорбційний шар; Б-дифузійний шар; I-ядро
Виробничі стічні води в більшості випадків являють собою слабоконцентровані емульсії або суспензії, що містять колоїдні частинки розміром 0,001 - 0,1 мкм, дрібнодисперсні частинки розміром 0,1 - 10 мкм, а також частинки розміром 10 мкм і більше.
У процесі механічного очищення зі стічних вод досить легко видаляються частинки розміром 10 мкм і більше, дрібнодисперсні та колоїдні частинки практично не видаляються. Таким чином, стічні води багатьох виробництв після споруд механічного очищення є агрегативно стійкою системою. Для їхнього очищення застосовують методи коагуляції; Агрегативна стійкість при цьому порушується, утворюються більші агрегати частинок, які видаляються зі стічних вод механічними методами.
Методи коагуляції поширені для очищення стічних вод підприємств хімічної, нафтохімічної, нафтопереробної, целюлозно-паперової, легкої, текстильної та інших галузей промисловості. Ефективністькоагуляційне очищення залежить від багатьох факторів: виду колоїдних частинок; їх концентрації та ступеня дисперсності; наявності у стічних водах електролітів та інших домішок; величини електрокінетичного потенціалу У стічних водах можуть утримуватися тверді (каолін, глина, волокна, цемент, кристали солей та ін.) та рідкі (нафта, нафтопродукти, смоли та ін) частинки.
Колоїдні частинки, що являють собою сукупність великого числа молекул речовини, що міститься в стічній воді в диспергированном стані, при переміщенні міцно утримують шар води, що покриває їх. Володіючи великою питомою площею поверхні, колоїдні частинки адсорбують іони, що знаходяться у воді, переважно одного знака, значно знижують вільну поверхневу енергію колоїдних частинок. Іони, що безпосередньо прилягають до ядра, утворюють шар поверхнево-ядерних іонів, або так званий адсорбційний шар. У цьому шарі може бути також невелика кількість протилежно заряджених іонів, сумарний заряд яких, однак, не компенсує заряду поверхнево-ядерних іонів. У зв'язку з тим, що на межі адсорбційного шару створюється електричний заряд, навколо гранули (ядра з адсорбційним шаром) утворюється дифузійний шар, в якому знаходяться інші заряджені протилежно іони, що компенсують заряд гранул. Гранула разом із дифузійним шаром називається міцелою. На рис. 1 показано зміну напруженості електричного поля міцели. Потенціал межі ядра - термодинамічний потенціал (x -потенціал) - дорівнює сумі зарядів всіх поверхнево-ядерних конів. На межі адсорбційного шару потенціал зменшується на величину, що дорівнює сумі зарядів, що знаходяться в адсорбційному шарі протилежно заряджених іонів. Потенціал на межі адсорбційного шару називаєтьсяелектрокінетичним потенціалом (x-потенціал).
На частинки колоїдів діють дифузійні сили, і частки прагнуть рівномірно розподілятися у всьому обсязі рідкої фази. Наявність у частинок електричних зарядів одного знака викликає їхнє взаємне відштовхування. Одночасно між колоїдними частинками є молекулярні сили взаємного тяжіння, які виявляються лише за невеликих відстанях між частинками. При зниженні електричного заряду частинок, тобто при зменшенні x-потенціалу, сили відштовхування зменшуються і стає можливим злипання частинок - процес коагуляції колоїду. Сили взаємного тяжіння між колоїдними частинками починають переважати над електричними силами відштовхування при x-потенціалі системи менше 0,03 В. При x-потенціалі, що дорівнює нулю, коагуляція проходить з максимальною інтенсивністю, стан колоїдної системи в цьому випадку носить назву ізоелектричного стану, а величина рН називається ізоелектричною точкою системи.
Одним із методів зниження x-потенціалу колоїдної системи є збільшення концентрації у воді електролітів. Здатність електроліту викликати коагуляцію колоїдної системи зростає зі збільшенням валентності коагулюючого іона, що має заряд, який протилежний заряду колоїдних частинок. Співвідношення коагулюючої здатності одно-, дво- та тривалентних іонів приблизно 1:30:1000.
При коагуляції пластівці утворюються спочатку рахунок частини зважених частинок і коагулянта чи лише коагулянта. Пластівці останнього, що утворилися, сорбують речовини, що забруднюють стічні води і, беручи в облогу разом з ними, очищають воду.
Основним процесом коагуляційного очищення виробничих стічних вод є гетерокоагуляція – взаємодія колоїдних та дрібнодисперсних частинок стічних водвод з агрегатами, що утворюються при введенні в стічні води коагулянтів.
При використанні як коагулянтів солей алюмінію і заліза в результаті реакції гідролізу утворюються малорозчинні у воді гідроксиди заліза і алюмінію, які сорбують на розвиненій пластівцеподібній поверхні зважені, дрібнодисперсні та колоїдні речовини і при сприятливих гідродинамічних умовах осідають на дно відстійника.
Сірчану і соляну кислоти, що утворюються в процесі гідролізу, слід нейтралізувати вапном або іншими лугами. Нейтралізація коагулянтів кислот, що утворюються при гідролізі, може також протікати за рахунок лужного резерву стічної рідини.
З метою зменшення витрат коагулянтів процес коагуляції слід здійснювати діапазоні оптимальних величин рН.
Для очищення виробничих стічних вод застосовують різні мінеральні коагулянти.
1. Солі алюмінію. Процес коагуляції солями алюмінію рекомендується проводити при значеннях рН = 4,5 8. В результаті застосування сульфату алюмінію ступінь мінералізації води збільшується. Алюмінат натрію, оксихлорид алюмінію, поліхлорид алюмінію, алюмокалієві [АlК(SO4)2 × 18H2O] та алюмоамонійні галун мають меншу вартість і дефіцитність, ніж сульфат алюмінію.
2. Солі заліза. Застосування процесу коагуляції оптимально при рН9. Гідроксид заліза - щільні, важкі пластівці, що швидко осаджуються, що є безперечною перевагою його застосування.
3. Солі магнію. Хлорид магнію; сульфат магнію.
5. Шламові відходи та відпрацьовані розчини окремих виробництв. Хлорид алюмінію (виробництво етилбензолу), сульфат двовалентного заліза (труєння металів), вапняний шлам та ін.
Кількість коагулянту, необхідне здійснення процесукоагуляція залежить від виду коагулянту, витрати, складу, необхідного ступеня очищення стічних вод і визначається експериментально.
Опади, що утворюються в результаті коагуляції, є пластівцями розміром від декількох мікрометрів до декількох міліметрів. Пухка просторова структура пластівців осаду обумовлює їхню високу вологість - до 96-99,9%. Щільність пластівців осаду зазвичай становить 1,01-1,03 т/м3. Для знебарвлення висококонцентрованих та інтенсивно забарвлених вод витрати коагулянтів досягають 1-4 кг/м3; обсяг осаду, що у результаті коагуляції, досягає 10-20 % обсягу оброблюваної стічної води. Значна витрата коагулянтів, великий обсяг осаду, складність його обробки і подальшого складування, збільшення ступеня мінералізації оброблюваних стічних вод не дозволяють в більшості випадків рекомендувати коагуляцію як метод самостійного очищення. Коагуляційний метод очищення застосовується в основному за невеликих витрат стічних вод і за наявності дешевих коагулянтів.
Розширенню оптимальних областей коагуляції (по рН і температурі) сприяють флокулянти, що підвищують щільність і міцність пластівців, що утворюються, знижують витрату коагулянтів, що підвищують надійність роботи і пропускну здатність очисних споруд.
Процес очищення стічних вод методом коагуляції або флокуляції включає приготування водних розчинів коагулянтів або флокулянтів, їх дозування, змішування з усім обсягом стічної води, пластівництво, виділення пластівців з неї.
До реагентного господарства на очисних спорудах входять склади для зберігання коагулянтів. В даний час широко застосовується так зване мокре зберігання коагулянтів (у вигляді розчину або шматкового продукту в концентрованому розчині) у баках тарезервуарах (рис. 4.2), що розташовуються всередині або поза будівлею. Ємності, що розміщуються поза будинком, слід утеплювати. Розчинення коагулянтів у воді здійснюється в розчинних баках із пристроями для барботажу стисненим повітрям інтенсивністю 4-5 л/с на I м2 площі колосникових грат. Застосовуються також баки з лопатевими та пропелерними мішалками для розчинення відповідно зернистих та шматкових матеріалів (розміром не більше 20 мм).
З розчинних баків розчини коагулянтів перекачують у видаткові баки, а звідти дозують оброблювану воду за допомогою дозаторів різних конструкцій. Коагулянти вводять у оброблювану стічної води зазвичай як 1-10 %-них розчинів, а флокулянти - як 0,1-1 %-них розчинів.
Коагулянти змішують з оброблюваною стічною водою в змішувачах, тривалість перебування води в яких становить 1-2 хв. Застосовують перегородчасті, дірчасті, шайбові та вертикальні змішувачі, а також механічні з пропелерними або лопатевими мішалками. Трубопроводи або лотки, що відводять воду із змішувачів в камери хлопьеобразования і освітлювачі зі зваженим осадом, розраховують швидкість руху стічної води 0,8-1 м/с і тривалість її перебування у яких трохи більше 2 хв. Після змішування стічних вод з коагулянтами починається процес утворення пластівців, який відбувається у камерах пластівництва. Ці камери можуть бути вирами, перегородчастими, вихровими, а також з механічним перемішуванням.