Коагуляція - це злипання частинок колоїдної системи при їх зіткненнях в процесі теплового руху, перемішування або спрямованого переміщення в зовнішньому силовому полі. В результаті коагуляції утворюються агрегати - більші (вторинні) частинки, що складаються зі скупчення дрібних (первинних). Первинні частки в таких агрегатах з'єднані силами міжмолекулярної взаємодії безпосередньо або через прошарок навколишнього (дисперсионной) середовища. Коагуляція супроводжується прогресуючим укрупненням частинок і зменшенням їх загальної кількості в обсязі дисперсійного середовища (в нашому випадку - рідини). Злипання однорідних частинок називається гомокоагуляціей, а різнорідних - гетерокоагуляціей.
Ефективність коагуляционной очищення залежить від багатьох факторів:
- виду колоїдних частинок;
- концентрації і ступеня дисперсності колоїдних частинок;
- наявності в стічних водах електролітів та інших домішок;
- величини електрокінетичного потенціалу.
Мал. 1. Будова міцели
a) # 61560;> 0.03; б) # 61560; = 0;
А - адсорбційний шар; Б-дифузний шар; I-ядро
Виробничі стічні води в більшості випадків являють собою слабоконцентрірованних емульсії або суспензії, що містять Колоїдні частинки розміром 0,001 - 0,1 мкм, дрібнодисперсні частинки розміром 0,1 - 10 мкм, а також частки розміром 10 мкм і більше.
У процесі механічної очистки з стічних вод досить легко видаляються частинки розміром 10 мкм і більш, дрібнодисперсні і колоїдні частинки практично не видаляються. Таким чином, стічні води багатьох виробництв після споруд механічної очистки є агрегативно стійку систему. Для їх очищення застосовують методи коагуляції; Агрегативна стійкість при цьому порушується, утворюються більші агрегати частинок, які видаляються з стічних вод механічними методами.
Одним з видів коагуляції є флокуляция, при якій дрібні частки, які у зваженому стані, під впливом спеціально додаються речовин (флокулянтів) утворюють інтенсивно осідають пухкі пухкі скупчення.
Методи коагуляції і флокуляції широко поширені для очищення стічних вод підприємств хімічної, нафтохімічної, нафтопереробної, целюлозно-паперової, легкої, текстильної та інших галузей промисловості. Ефективність коагуляционной очищення залежить від багатьох чинників: виду колоїдних частинок; їх концентрації і ступеня дисперсності; наявності в стічних водах електролітів та інших домішок; величини електрокінетичного потенціалу. У стічних водах можуть міститися тверді (каолін, глина, волокна, цемент, кристали солей і ін.) І рідкі (нафта, нафтопродукти, смоли і ін.) Частки.
Колоїдні частинки, що представляють собою сукупність великого числа молекул речовини, що міститься в стічній воді в диспергованому стані, при переміщенні міцно утримують покриває їх шар води. Володіючи великою питомою площею поверхні, колоїдні частинки адсорбують знаходяться у воді іони 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 перебувати також невелике число протилежно заряджених іонів, сумарний заряд яких, однак, не компенсує заряду поверхнево-ядерних іонів. У зв'язку з тим, що на кордоні адсорбційного шару створюється електричний заряд, навколо гранули (ядра з адсорбційним шаром) утворюється дифузний шар, в якому знаходяться інші протилежно заряджені іони, що компенсують заряд гранул. Гранула разом з дифузійним шаром називається міцели. На рис. 1 показано зміну напруженості електричного поля міцели. Потенціал на кордоні ядра - термодинамічний потенціал (# 61560; -потенціал) - дорівнює сумі зарядів всіх поверхнево-ядерних конів. На кордоні адсорбційного шару потенціал зменшується на величину, що дорівнює сумі зарядів знаходяться в адсорбционном шарі протилежно заряджених іонів. Потенціал на кордоні адсорбційного шару називається електрокінетичних потенціалом (# 61560; -потенціал).
На частинки колоїдів діють дифузійні сили, і частинки прагнуть рівномірно розподілятися у всьому обсязі рідкої фази. Наявність у частинок електричних зарядів одного знака викликає їх взаємне відштовхування. Одночасно між колоїдними частинками є молекулярні сили взаємного тяжіння, які проявляються лише при невеликих відстанях між частинками. При зниженні електричного заряду частинок, т. Е. При зменшенні # 61560; -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 # 61560; # 61472; # 61485; потенціалі системи менше 0,03 В. При # 61560; -потенціале, що дорівнює нулю, коагуляція проходить з максимальною інтенсивністю, стан колоїдної системи в цьому випадку носить назву ізоелектричного стану, а величина рН називається ізоелектричної точкою системи.
Одним з методів зниження # 61560; -потенціалу колоїдної системи є збільшення концентрації у воді електролітів. Здатність електроліту викликати коагуляцію колоїдної системи зростає зі збільшенням валентності коагулюючого іона, що володіє зарядом, який протилежний заряду колоїдних частинок. Співвідношення коагулирующей здатності одно-, дво- і тривалентних іонів приблизно 1: 30 1000.
При коагуляції пластівці утворюються спочатку за рахунок частини зважених часток і коагулянту або тільки коагулянту. Утворилися пластівці останнього сорбують речовини, що забруднюють стічні води і, осідаючи разом з ними, очищають воду.
Основним процесом коагуляционной очищення виробничих стічних вод є гетерокоагуляція - взаємодія колоїдних і дрібнодисперсних частинок стічних вод з агрегатами, що утворюються при введенні в стічну воду коагулянтів.
При використанні в якості коагулянтів солей алюмінію і заліза в результаті реакції гідролізу утворюються малорозчинні у воді гідроксиди заліза і алюмінію, які сорбують на розвиненою пластівчасту поверхні зважені, дрібнодисперсні і колоїдні речовини і при сприятливих гідродинамічних умовах осідають на дно відстійника, утворюючи осад:
Утворені в процесі гідролізу сірчану і соляну кислоти слід нейтралізувати вапном або іншими лугами. Нейтралізація утворюються при гідролізі коагулянтів кислот може також протікати за рахунок лужного резерву стічної рідини:
З метою зменшення витрат коагулянтів процес коагуляції слід здійснювати в діапазоні оптимальних величин рН
Для очищення виробничих стічних вод застосовують різні мінеральні коагулянти.
1. Солі алюмінію. Сульфат алюмінію (глинозем) А12 (SO4) 3 # 61655; 18H2 O. Процес коагуляції солями алюмінію рекомендується проводити при значеннях рН = 4,5 # 61624; 8. У результаті застосування сульфату алюмінію ступінь мінералізації води збільшується. Алюмінат натрію NaAlO2. оксихлорід алюмінію Al2 (OH) 5 Cl, полихлоридов алюмінію [А12 (ОН) n Сl6-n] m (SO4) x (де 1<=n<=5m<=10), алюмокалиевые [АlК(SO4 )2 18H2 O] и алюмоаммонийные [Al (NH4 ) (SO4 )2 12Н2 О] квасцы имеют меньшую стоимость и дефицитность, чем сульфат алюминия.
2. Солі заліза. Сульфат двовалентного заліза, або залізний купорос FeSO4 # 61655; 7H2 O. Застосування процесу коагуляції оптимально при рН> 9. Гідроксид заліза - щільні, важкі, швидко осідають пластівці, що є безперечною перевагою його застосування. Хлорид заліза FeCl3 # 61655; 6H2 O; сульфат железаFe2 (SO4) 3 # 61655; 9H2 O.
3. Солі магнію. Хлорид магнію MgCl2 # 61655; 6H2 O; сульфат магнію MgSO4 -7H2 O.
5. Шламові відходи і відпрацьовані розчини окремих виробництв. Хлорид алюмінію (виробництво етилбензолу), сульфат двовалентного заліза (травлення металів), вапняний шлам і ін.
Кількість коагулянту, необхідне для здійснення процесу коагуляції, залежить від виду коагулянту, витрати, складу, необхідного ступеня очищення стічних вод і визначається експериментально.
Утворені в результаті коагуляції опади представляють собою пластівці розміром від кількох мікрометрів до декількох міліметрів. Пухка просторова структура пластівців осаду обумовлює їх високу вологість - до 96-99,9%. Значний витрата коагулянтів, великий обсяг виходить осаду, складність його обробки і подальшого складування, збільшення ступеня мінералізації оброблюваних стічних вод не дозволяють в більшості випадків рекомендувати коагуляцію як метод самостійної очищення. Коагуляційний метод очищення застосовується в основному при невеликих витратах стічних вод і при наявності дешевих коагулянтів.
Розширенню оптимальних областей коагуляції (по рН і температурі) сприяють флокулянти, що підвищують щільність і міцність утворюються пластівців, що знижують витрату коагулянтів, що підвищують надійність роботи і пропускну спроможність очисних споруд.
При розчиненні в стічних водах флокулянти можуть перебувати в неіонізованому і іонізованому стані. Останні носять назву розчинних поліелектролітів. Залежно від складу полярних груп флокулянти бувають:
неіоногенні - полімери, що містять неіоногенні групи: - ОН,> СО (крохмаль, оксиетилцелюлоза, полівініловий спирт "поліакрилонітрил і ін.);
аніонні - полімери, що містять аніонні групи: -СООН, -SO3 H, OSO3 H (активна кремнієва кислота, Поліакрилат натрію, альгінат натрію, лігносульфонати і ін.);
катіонні - полімери, що містять катнонние групи: -NH2. = NH (поліетиленімін, сополімери вінілпіридину, ВА-2, ВА-102, ВА-212 і ін.);
амфотерні - полімери, що містять одночасно аніонні і катіонні групи: полиакриламид, білки та ін.
Швидкість і ефективність процесу флокуляції залежать від складу стічних вод, їх температури, інтенсивності перемішування і послідовності введення коагулянтів і флокулянтів. Дози флокулянтів приймаються зазвичай 0,1-10 г / м 3. а в середньому 0,5-1 г / м 3. Так, застосування добавок полиакриламида в концентрації 1 г / м 3 при коагуляції стічних вод металургійного заводу дозволило збільшити питому навантаження на радіальні відстійники в 2 рази.
Процес очищення стічних вод методом коагуляції або флокуляції включає приготування водних розчинів коагулянтів або флокулянтів, їх дозування, змішання з усім обсягом стічної води, пластівців, виділення пластівців з неї.
У реагентне господарство на очисних спорудах входять склади для зберігання коагулянтів. В даний час широко застосовується так зване мокре зберігання коагулянтів (у вигляді розчину або кускового продукту в концентрованому розчині) в баках і резервуарах, що розташовуються усередині або поза будівлею. Ємності, що розміщуються поза будівлею, слід утеплювати. Розчинення коагулянтів в воді здійснюється в розчинних баках з пристроями для барботажа стисненим повітрям інтенсивністю 4-5 л / с на I м 2 площі колосникових грат. Застосовуються також баки з лопатевими і пропелерними мішалками для розчинення відповідно зернистих і кускових матеріалів (розміром не більше 20 мм).
З розчинних баків розчини коагулянтів перекачують у витратні баки, а звідти дозують в оброблювану воду за допомогою дозаторів різних конструкцій. Коагулянти вводять в оброблювану стічну воду зазвичай у вигляді 1-10% -них розчинів, а флокулянти - у вигляді 0,1-1% -них розчинів.
Коагулянти змішують з оброблюваної стічної водою в змішувачах, тривалість перебування води в яких становить 1-2 хв. Застосовують перебірчасті, дірчасті, шайбовая і вертикальні змішувачі, а також механічні з пропелерними або лопатевими мішалками. Трубопроводи або лотки, відводять воду з змішувачів в камери утворення пластівців і освітлювачі зі зваженим осадом, розраховують на швидкість руху стічної води 0,8-1 м / с і тривалість її перебування в них не більше 2 хв. Після змішування стічних вод з коагулянтами починається процес утворення пластівців, який відбувається в камерах хлопьеобразования. Ці камери можуть бути водоворотних, перебірчасті, вихрові, а також з механічним перемішуванням.
Водоворотних камери утворення пластівців є циліндр, у верхню частину якого з змішувача вводиться стічна вода з обертальної швидкістю на виході з сопла 2-3 м / с. У нижній частині камери перед виходом на відстійник знаходяться гасителі обертального руху води. Тривалість перебування води в камері 15- 20 хв.
Перебірчасті камери можуть бути горизонтальними і вертикальними. У горизонтальній камері стічна вода протікає по декількох послідовно з'єднаним коридорах. Перемішування здійснюється за рахунок восьми - десяти поворотів. Вихрова камера хлопьеобразования є конічний або циліндричний розширюється догори резервуар з нижнім впуском стічної. У камерах хлопьеобразования з лопатевими мішалками тривалість перебування води 20-30 хв, а швидкість руху води 0,15-0,2м / с.
Подальше освітлення стічної води проводиться в горизонтальних, радіальних і вертикальних відстійниках.
Найбільш доцільною є двоступенева схема відстоювання стічних вод. На I ступені здійснюється просте відстоювання у відстійнику без коагулянту, на II ступені-обробка стічних вод коагулянтами і флокулянтами з подальшим відстоюванням в відстійнику.
1 - подача стічних вод; 3 - відстійник; 3 - резервуар; 1-електрокоагулятор; 4 - пакет плоских листових сталевих електродів; 5 - випуск оброблених стічних вод в систему оборотного водопостачання; 6 - випрямляч електричного струму; 7 - випуск осаду.
Коагуляція вод, що містять дрібнодисперсні і кололідние частки, може відбуватися при пропуску стічних вод через електролізер з анодом, виготовленим з алюмінію або заліза. Метал анода під дією постійного струму іонізується і переходить в стічну воду, частки забруднень якої коагулируются утворилися важко розчинними гидроксидами алюмінію або заліза.
Метод електрохіміческогокоагулірованія може бути застосований для обробки стічних вод, що містять емульговані частки масел, жирів і нафтопродуктів, хромати, фосфати. Компактність установок, відсутність реагентного та складського господарства, простота обслуговування є безперечною гідністю методу електрохімічної коагуляції. Однак значні витрати електроенергії і металу, що є наслідком освіти окисної плівки на поверхні електродів, їх механічного забруднення домішками стічних вод, а також нагрівання оброблюваної стічної води, обмежують сферу застосування цього методу.