Кульский Л.А., Накорчевская В.Ф. Химия воды: Физико-химические процессы обработки природных и сточных вод - файл n1.doc

приобрести
Кульский Л.А., Накорчевская В.Ф. Химия воды: Физико-химические процессы обработки природных и сточных вод
скачать (12651.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc12652kb.19.09.2012 18:34скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11
§ 2. ГИДРОЛИЗ КОАГУЛЯНТОВ

Гидролиз солей-коагулянтов в значительной мере определяет гра­ницы применимости их в различных условиях водоочистки. Полнота протекания гидролиза оказывает большое влияние на весь дальнейший ход процесса коагулирования, тем более, что с технологической и сани­тарно-гигиенической точек зрения содержание даже небольших коли­честв солей-коагулянтов в очищенной воде недопустимо (ГОСТ 2874—73). Рассмотрим общие закономерности протекания процесса гидролиза солей-коагулянтов.

Гидролиз коагулянтов, как солей слабых многоосновных оснований и сильных кислот, протекает в несколько стадий:









Из приведенного уравнения следует, что возрастание концентрации соли и свя­занное с этим увеличение активности катиона металла сдвигает рН гидратообразо-вания в сторону меньших значений. Наличие в растворе посторонних веществ, ме­няющих средний коэффициент активности, также влияет на рН гидратообразования.

Если образующуюся при гидролизе металла основную соль представить общей

суммой х молекул нормальной соли и у молекул гидроксида x(Mev+Av~) X X y[Afe(OH)3], то рН, при котором происходит выделение основных солей, можно вычислить по уравнению.







Значение рН, при котором гидроксид алюминия имеет минималь­ную растворимость, лежит в пределах 6,5—7,5. Осаждение гидроксида алюминия начинается при рН = 3 и достигает полноты при рН = 7. При дальнейшем повышении рН осадок начинает растворяться, причем рас­творение становится заметным при рН = 9. Гидроксиды железа (II) и (III) начинают осаждаться соответственно при рН=1,5—2,3 и рН = 6,5—7,5, достигая полноты осаждения при рН = 4,1 и 9,7.

На рис. IV. 1 представлена диаграмма примерного распределения продуктов гидролиза сульфата алюминия в широком диапазоне рН обрабатываемой воды. Кроме указанных на рисунке, предполагается формирование [A1(H2O)5OH]SO4, [A1(H2O)4(OH)2]2SO4 и других про­дуктов.

На рис. IV.2 приведено примерное распределение продуктов гидро­лиза железа (III) в зависимости от рН воды.

Прохождение процесса гидролиза qoпpoвoждaeтcя накоплением в воде ионов Н+, что приводит согласно уравнению реакции к замедле­нию процесса, проходящего слева направо, т. е. процесс гидролиза солей-коагулянтов замедляется и проходит неполно. Поэтому необхо-



димым условием наибо­лее полного прохожде­ния процесса гидролиза является связывание ионов Н+ в недиссоции-рованные молекулы и удаление из сферы ре­акции образующегося гидроксида металла.

Функцию связыва­ния образующихся ио­нов водорода выполня­ют присутствующие в воде ионы НСО-3:

Н+ + НСОз- = Н2СО3.

Вследствие этого суммарную реакцию







Ионы НСО3- вместе с растворенной в воде угольной кислотой об­разуют буферную систему с рН, близким к нейтральному.

Добавление небольших количеств кислоты или щелочи к такой си­стеме не изменяет заметно величину ее рН до тех пор, пока не будет исчерпана емкость буферной системы, определяющаяся количеством карбонатов в воде. Благодаря такой буферной системе возможен пол­ный гидролиз коагулянта и образование коллоидного раствора гидрок-сида металла. При больших концентрациях коагулянта величина ще­лочности природной воды может оказаться недостаточной для связы­вания водорода, что необходимо для успешного протекания гидролиза коагулянта. Поэтому воду перед добавлением коагулянта подщелачи­вают введением извести, соды и т. п. В первом случае эффект подще-лачивания объясняется связыванием ионов Н+ гидроксильными иона­ми извести, во втором случае — связывание ионов Н+ в ионы НСО3-. Применение кальцинированной соды возможно только для воды, ис­пользуемой для технических нужд.

Зная щелочность обрабатываемой воды и дозу введенного коагу­лянта, можно подсчитать количество извести или соды, необходимое для гидролиза и обеспечения резервной остаточной щелочности, рав­ной 1 мг-экв:



Кроме собственно гидролиза схема включает три реакции: нейтра­лизацию катионов водорода (Н++НСОз-); образование гидроксид-гидрокарбонатных соединений алюминия (Al(OH)n+HCO3-) и ос­новных солей алюминия с другими анионами воды (А1(ОН)n + А-). Для определенных условий очистки воды в системе этих реакций су­ществует динамическое равновесие.

При низких температурах воды (0—5° С) гидролиз алюминиевого коагулянта значительно замедляется, хлопьеобразование часто не успевает закончиться на очистных сооружениях. Таксе явление харак­терно для очистки высокоцветных маломутных вод в зимний период.

Образующиеся легкие хлопья гидроксида алюминия практически не оседают в отстойниках, поэтому основная нагрузка приходится на фильтры, которые в этих условиях не обеспечивают требуемую степень очистки воды. В это время более пригодны железные коагулянты.

В домовых водопроводных сетях, а также в емкостях со стоячей водой температура воды обычно повышается и создаются благопри­ятные условия для коагулирования и выпадения в осадок гидроксида алюминия. Это явление, носящее название «отлежки» коагулянта, на­блюдается при содержании в обрабатываемой воде более 0,4 мг/л ос­таточного алюминия. Содержание иона алюминия в очищенной воде качественно характеризует протекание коагулирования и является важным показателем при оценке глубины ее очистки.

§ 3. ПРОЦЕССЫ СТРУКТУРООВРАЗОВАНИЯ ПРИ КОАГУЛИРОВАНИИ ВОДЫ

Следует различать два типа структур дисперсной фазы: первичные и вторичные. Первичная структура — это структура отдельных части­чек золей и суспензий. С ней связаны электрические и молекулярно-кинетические свойства частичек, их гидратация. Вторичная структура возникает вследствие взаимодействия отдельных частичек, ее также называют сверхмицеллярной. От вторичной структуры зависит объем и механические свойства осадков.

Структура выделяющихся из раствора частичек зависит от ско­рости двух одновременно протекающих процессов: скорости упорядо­чения (ориентации) и скорости агрегирования молекул. Если быстрее протекает второй процесс, то возникает аморфная фаза. Если, наобо­рот, скорость первого процесса больше, то могут образоваться кри­сталлические частички. При большом пересыщении главную роль иг­рает скорость агрегации.

Скорость ориентации гидроксидов металлов понижается с увеличе­нием числа гидроксильных ионов, связанных с атомами металла. Поэ­тому гидроксиды двухвалентных металлов получаются кристалличе­ской формы, а гидроксиды трехвалентных металлов — алюминия и железа — выделяются главным образом в аморфном виде.

Выделение твердой фазы гидроксида металла является первой сту-



пенью образования коллоидных частичек. Частички гидроксидов металлов имеют сильно развитую поверхность и обладают большой адсорбционной способностью, что дает возможность им поглощать из раствора те или иные ионы. Общие пра­вила адсорбции ионов твердой фазой из водного раствора сохраняются и в дан­ном случае: из воды адсорбируются пре­имущественно те ионы, которые сильнее уменьшают свободную энергию поверхно­сти твердой фазы и, кроме того, входят в состав вещества

На рис. IV.3 схематически изоб­ражена мицелла гидроксида алю-












чий анионов уменьшаются на 1 —1,5. Изоэлект-рическая точка гидроксида железа соответст­вует значению рН немного выше 6,5.

Возникающие в результате взаимодействия отдельных частичек вторичные структуры раз­деляются на конденсацинно-кристаллизацион-ные и коагуляционные. К первому типу при­надлежат структуры, у которых связи между частичками образованы за счет химических сил: образование прочных химических связей между частичками приводит к возникновению конденсационных структур, сращивание кри­сталликов в процессе выкристаллизовывания новой фазы — к образованию кристаллизаци­онных структур.

К коагуляционным относятся структуры, обычно возникающие в результате понижения агрегативной устойчивости дисперсных систем. При неполной астабилизации системы фактор устойчивости бывает снят только с некоторых участков поверхности частичек (иногда не полностью), и в результате этого частички, слипаясь по таким мес­там, образуют пространственную сетку, в петлях которой находится дисперсионная среда (рис. IV. 4).

Структурообразование в гидрозолях алюминия и железа рассмат­ривается как процесс возникновения сплошной пространственной сет­ки с последующим разрывом ее под влиянием гидродинамических воз­действий. В результате разрыва образуются микрохлопья, укрупняю­щиеся в ходе последующего объединения.

На скорость структурообразования большое влияние оказывают размер и форма исходных частичек.

Размеры выделяющихся при гидролизе коагулянтов частичек гид-роксидов зависят, главным образом, от степени пересыщения раст­вора.

Процесс образования твердой фазы в пересыщенном растворе начинается с об­разования зародышей, на которых происходит накопление выделяющегося из раст­вора вещества. При незначительном пересыщении раствора зародышей образуется мало и они медленно растут до частичек крупного размера.

С увеличением степени пересыщения число зародышей возрастает, но величина частичек уменьшается в связи с распределением вещества между большим количест­вом центров. При большом пересыщении вещество может выделиться в виде чрез­вычайно мелких первичных частичек.

В процессе водоподготовки гидролиз солей-коагулянтов протекает в разбавленных растворах, что создает условия слабого пересыщения, благоприятного для образования крупных частичек при условии обес­печения необходимого времени для их формирования. Плавное пере­мешивание и повышение температуры способствует ускорению обра­зования структур.

Свойства структур во многом зависят от степени астабилизации частичек, поскольку эти частички взаимодействуют участками, на ко­торых устранены причины их агрегативной устойчивости. При непол­ной астабилизации структуры образуются рыхлые с заполненными

водой внутренними полостями. Образованию рыхлой структуры спо­собствуют также высокая дисперсность и анизодиаметрия частичек. Рыхлые коагуляционные структуры образуют А1(0Н)3, Fe(OH)3, су­спензии глины с удлиненными частичками — чешуйками. Если лио-фобные участки занимают значительную часть поверхности частичек, формируются относительно компактные структуры.

Коагуляционные структуры, формирующиеся из продуктов гидро­лиза солей алюминия и железа, имеют развитую высокопористую по­верхность.

Водонасыщенность продуктов гидролиза коагулянтов зависит от их состава и структуры. Катионы А13+ и Fe3+, благодаря большому заря­ду и относительно малому радиусу, сильно гидратированы. Присоеди­ненные к катионам гидроксильные группы также связывают большие количества воды. Особенно большие количества воды гидроксиды алюминия и железа включают в начальный момент структурообразо-вания, когда к химической гидратации прибавляется механический за­хват воды.

Водонасыщенность структур зависит от скорости их формирования: чем ниже скорость, тем меньше воды заключает структура.

Плотность хлопьев, образующихся при разрыве структуры, выра­жают величиной их объемной массы— 1,0012—1,028 г/см3.

Коагуляционные структуры гидроксидов алюминия и железа обла­дают высокой способностью восстанавливать связи после их механи­ческого разрушения (тиксотропия). Повышение температуры и мед­ленное перемешивание способствуют тиксотропному восстановлению. При этом строение хлопьев упорядочивается, их плотность и проч­ность возрастают.

Прочность структур не зависит от прочности первичных частичек гидроксидов алюминия и железа, а определяется прочностью контак­тов между ними и числом контактов в единице объема структуры. Чис­ло контактов и их распределение в объеме структурной сетки зависят от размеров и формы первичных частичек и их ориентации. Прочность же каждого контакта определяется в основном силами адгезии. Уста­новлено, что гидроксид железа имеет лучшие адгезионные свойства, чем гидроксид алюминия.

Частички золя и геля малорастворимых продуктов гидролиза алю­миния и железа обладают хорошей адсорбционной способностью по отношению к ряду веществ, например красителей, гумусовых веществ. Так, 1 мг-экв А1(ОН)з снижает цветность воды на 30—100 град.

§ 4. КОАГУЛЯЦИЯ ЗОЛЕЙ ГИДРОКСИДОВ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИХ С КОЛЛОИДАМИ И ВЗВЕСЯМИ ВОДЫ

Изучение условий коагуляции, т. е. слипания сталкивающихся в растворе коллоидных частичек и следующего за коагуляцией выпаде­ния образовавшихся агрегатов в осадок, как известно, тесно связано с выяснением причин, определяющих устойчивость коллоидных раство­ров. В этой связи важно выяснить степень лиофильности (или лиофоб-

ности) коллоидов и взвесей, присутствующих в природных водах и об-

разующихся при обработке их коагулянтами.

Большинство веществ, обусловливающих мутность и цветность природных вод, являются гидрофобными или слабо гидрофильными дисперсными системами. Гидрофобны или слабо гидрофильны также системы, которые образуются в процессе очистки воды в результате гидролиза вводимых в воду коагулянтов. Поэтому полное представле­ние о поведении таких систем в процессе очистки природных вод воз­можно лишь при учете факторов устойчивости как гидрофобных, так и гидрофильных систем.

Признаки гидрофобности систем коллоидной степени дисперсности. Рассмотренный процесс образования двойного электрического слоя зо­лей гидроксидов алюминия и железа показал, что вид потенциалоб-разующих ионов, а следовательно, и стабильность золей тесно связана с рН обрабатываемой воды. Действительно, зависимость эффекта об­работки воды коагулянтами от рН общеизвестна.

Рассмотрим происхождение заряда наиболее распространенных коллоидов природных вод — глинистой и почвенной мути, состоящей из алюмосиликатов и гуминовых веществ.

Глинистые и почвенные взвеси состоят главным образом из гидро­алюмосиликатов общей формулы х Al2O3.ySiO2.z H2O. Вода, входя­щая в состав глины, по современным представлениям не является кристаллизационной; молекула глины является молекулой алюмоси-ликатной кислоты, в которой кислород воды входит в состав аниона, а водород представляет собой катион. Простейшая формула гидроалюмо­силиката Al2O3.2SiO2.2H2O выглядит в этом случае так: Н4Аl2209.

Анионы алюмосиликата образуют основу отрицательно заряжен­ной глинистой частички, окруженной сферой положительных компен­сирующих ионов водорода. Величина заряда глинистой частички и его знак зависят от рН воды, в которой суспендирована глина. Так, при повышении концентрации ионов водорода уменьшается диссоциация алюмосиликатной кислоты и в связи с этим снижается заряд глинис­тых частичек, что способствует их коагуляции. Технологический опыт действительно показывает, что глинистые взвеси значительно скорее коагулируют при подкислении воды.

Гуминовые вещества также имеют кислотный характер. В природ­ных водах они встречаются в виде стойких высокодисперсных отрица­тельно заряженных золей. Основу частичек составляют анионы гуми­новых кислот; ионы водорода или катионы металлов составляют внешнюю оболочку двойного слоя. Явно выраженный кислотный ха­рактер гуминовых солей значительно упрощает выяснение условий их стабильности и коагуляции. Повышение рН должно увеличить диссо­циацию гуминовых солей, способствуя повышению заряда частичек иг их диспергированию. С этой точки зрения повышение рН воды окажет неблагоприятное действие на коагулирование гуминовых мягких вод.

При подкислении гуминовых вод образуются слабодиссоциирован-ные гуминовые кислоты, заряд их частичек понижается, что способст­вует слипанию частичек. В результате возникают низкодисперсные малоустойчивые золи, легко коагулирующие. При использовании под-кисления нельзя однако доводить рН до величины, при которой может начаться самопроизвольная коагуляция гуминов, так как вода в этом случае приобретает большую коррозионную активность, для устране-

ния которой требуется последующее подщелачивание. Все же в ще­лочных водах с большим содержанием гуминовых веществ применение кислоты для понижения щелочного резерва и рН уменьшает устойчи­вость гуминовых золей, что должно способствовать эффекту коагу­ляции.

Таким образом, концентрация водородных ионов является важным фактором, от которого зависит степень устойчивости коллоидных и взвешенных примесей воды, а также коллоидов, образующихся при гидролизе коагулянтов.

Другим важным фактором, влияющим на устойчивость примесей воды, является обмен ионов. Поскольку природная вода — сложная система, то изучение обмена ионов представляет интерес для практики водообработки. Так как золи гидроксидов алюминия и железа несут положительный заряд, коагулирующими ионами для них являются анионы.

Наиболее распространенные анионы большинства природных вод: SO42-, С1- и НСО3-. Концентрация этих анионов, обеспечивающая мак­симальную скорость коагуляции гидроксидов алюминия и железа, для SO42- равна 0,001—0,002 н., для С!- — 0,07 н. и для НСО3-— 0,005 н. В природных водах концентрации этих анионов обычно ниже, следо­вательно, коагуляция гидроксидов протекает с меньшей скоростью.

Чтобы установить влияние изменения соотношения этих ионов в во­де на скорость коагуляции, пользуются методом треугольных диа­грамм.

Основой построения треугольной диаграммы является геометрическая теорема, согласно которой сумма длин перпендикуляров, опущенных из любой точки, лежа­щей внутри равностороннего треугольника, равна его высоте. Если из вершин рав­ностороннего треугольника ABC (рис. IV.5), отвечающих чистым компонентам трой­ной смеси, опустить на соответствующие стороны три высоты (на рисунке не пока-Ьано) и каждую разделить на несколько равных частей, а затем через полученные отрезки провести линии, параллельные сторонам треугольника, то деления сторон ^адут состав двойных смесей, а точки сетки внутри треугольника — состав тройных смесей. Так, точка, приведенная на рисунке, соответствует составу: 20 % компонен­та А, 40 % компонента В и 40 % компонента С.

В качестве модели природной воды при построении треугольных диаграмм поль­зуются дистиллированной водой, в которую вводятся определенные количества электролитов.

На рис. IV. 6 и IV. 7 изображены треугольные диаграммы, иллю-Ьтрирующие влияние анионного состава воды на процесс коагулирова­ния при введении различных доз коагулянтов











Отрицательно сказывается на процессе хлопьеобразования повы­шение содержания в растворе ионов SO42-. Причинами этого являются резкое снижение устойчивости частичек и образование большого коли­чества центров коагуляции, одновременное существование которых решает росту каждого из них. Поэтому в растворе появляется боль­шое количество очень мелких, трудно осаждаемых хлопьев.

Применение смеси сульфата алюминия и хлорида железа (так на­зываемого смешанного коагулянта) заметно снижает чувствитель­ность процесса коагуляции к солевому составу воды. Оптимальные зо­ны коагуляции в этом случае значительно шире соответствующих зон для отдельных коагулянтов (рис. IV. 10). Хорошие результаты полу­чают также при использовании флокулянта (см. дальше) активной кремниевой кислоты, которая ускоряет и улучшает осветление и обес­цвечивание воды в широком интервале изменения рН воды.

Изменение зон хлопьеобразования отдельных коагулянтов и их смесей, как правило, вызывает аналогичное из'менение зон осаждения. Это свидетельствует о том, что основным фактором скорости в процес­се очистки воды коагулированием является формирование хлопьев гидроксидов.

Влияние катионов на коагуляцию А1(ОН)3 и Fe(OH)3 значительно слабее, так как их заряд по знаку совпадает со знаком заряда этих золей, и объясняется в основном изменением рН.

Наряду с коагуляцией золей гидроксидов алюминия и железа ио­нами растворенных в воде солей определенную роль играет процесс взаимной коагуляции отрицательных коллоидов, являющихся приме­сями воды, положительными золями гидроксидов железа или алюми­ния. Это характерно для случаев, когда примесями воды являются высокодисперсные глинистые частички и другие гидрофобные, отрица­тельно заряженные коллоиды. Суть происходящих процессов заключа­ется в адсорбции частичек одного золя поверхностью другого. Необхо­димым условием взаимной коагуляции золей является равенство их противоположных по знаку зарядов, поэтому процесс может протекать лишь в узкой зоне соотношений концентраций золей. В связи с этим возникает необходимость в подборе дозы коагулянта для каждого конкретного случая очистки воды и в частом контроле выбранных со­отношений, особенно при колебаниях состава воды и величины ее рН, отражающихся на ?-потенциале коллоидов. Шаблонное поддержание раз установленной дозы коагулянта будет отрицательно сказываться на качестве осветления воды.

Признаки гидрофильности коллоидов. Большинство коллоидов и взвесей природных вод не являются типичными гидрофобами, а пред­ставляют собой переходные системы от гидрофобных к гидрофильным. Гидрофобность их проявляется в относительно легкой коагуляции, протекающей с выпадением осадка, во влиянии на коагуляцию валент­ности коагулирующих ионов, свидетельствующем о большой роли ?-потенциала в устойчивости этих систем, в применимости к ним пред­ставлений о взаимной коагуляции коллоидов и т. д.

На гидрофильность этих примесей природных вод указывает нали­чие трех факторов:

  1. органические коллоиды природных вод малочувствительны к со­
    держанию электролитов;

  2. их скоагулированные осадки удерживают значительное коли­
    чество воды;

  3. для некоторых из них, особенно для продуктов разложения бел­
    ков и для гуминов, характерно проявление защитного действия по от­
    ношению к глинистым и почвенным суспензиям, коллоидной кремние­
    вой кислоте, а также к образующимся при внесении в воду коагулян­
    тов золей гидроксидов алюминия или железа.

Защита гидрофобных коллоидов с точки зрения технологии очистки воды очень нежелательна, так как она вызывает образование стойких взвесей и значительно замедляет осаждение хлопьев гидроксидов.

Чтобы устранить защитное действие коллоидов, необходимо раз­рушить их, т. е. удалить коллоиды, окружающие защищенную частич­ку, либо гидрофобизировать их поверхность, например, уменьшив хи­мической обработкой количество полярных групп в их молекулах.

На водоочистных станциях такого эффекта добиваются проведени­ем хлорирования воды перед добавлением коагулянта. Хлор, окисляя и разрушая растительные и животные осадки и почвенно-гуминовые комплексы, облегчает и ускоряет коагуляцию неорганических коллои­дов и суспензий.

При очистке природных вод от коллоидных и высокомолекулярных загрязнений может происходить не только коагуляция этих коллоидов

электролитами, но и адсорбция их поверхностью гидроксидов алюми­ния и железа.

Особенно большую роль играет адсорбция при очистке нейтраль­ных и слабощелочных гуминовых вод. Дело в том, что уменьшение концентрации водородных ионов сопровождается в мягких водах быст­рым возрастанием дисперсности гуминовых золей, их ?-потенциала, а следовательно, и устойчивости. В таком случае коагуляция гуминов-может наступить лишь при довольно больших концентрациях много­валентных катионов, т. е. в трудно осуществимых на практике водо­очистки условиях.

Введение солей-коагулянтов не приводит (в щелочной среде) к на­коплению многовалентных катионов, поскольку они сразу связывают­ся в малорастворимый гидроксид. Однако общеизвестно, что нейтраль­ные и слабощелочные окрашенные воды обесцвечиваются в процессе очистки их коагулянтами практически столь же хорошо, как и кислые. Это происходит в результате адсорбции органических веществ на силь­но развитой поверхности коллоидных частичек гидроксидов алюминия и железа.

Осветление природных вод. Этот процесс во многом определяется свойствами взвешенных и коллоидных примесей, придающих воде мут­ность.

При наличии крупных частичек вода осветляется в результате их оседания под влиянием гравитационных сил. При наличии частичек высокой степени дисперсности большое значение приобретает обмен­ная адсорбция катионов, т. е. способность обменивать одновалентные катионы Н+, Na+, К.+, образующие диффузную атмосферу противоио-нов, на двух- или трехвалентные катионы. В результате этого устойчи­вость частичек уменьшается.

При обработке воды солями алюминия и железа одновременно с образованием гидроксидов происходит адсорбция катионов алюминия или железа коллоидными и взвешенными примесями воды. В условиях водообработки невозможно полностью исключить протекание одного из процессов, но, по всей вероятности, более высокие значения рН бу­дут способствовать образованию гидроксидов, более низкие — адсорб­ции.

Адсорбция катионов частичками взвеси приводит к снижению их устойчивости, в результате чего становится возможным взаимное сли­пание частичек. Однако силы, способствующие слипанию, по-видимо­му, недостаточно велики по сравнению с массой частичек и другими факторами, обеспечивающими их устойчивость, потому что образую­щиеся агрегаты не обладают прочностью, достаточной для получения крупных и тяжелых хлопьев.

Установлено, что продукты гидролиза алюминия и железа более эффективны в отношении астабилизации глинистых частичек, чем ка­тионы А13+ и Fe3+.

При наличии коагулирующего гидроксида взвешенные частички соединяются друг с другом не непосредственно: гидроксид сорбирует­ся поверхностью взвешенных частичек и как бы «сшивает» их между собой с помощью «мостиков» в прочные агрегаты (рис. IV.11). Поэто­му обработку мутных вод целесообразно проводить в условиях, по-



давляющих процессы обменной адсорбции и способствующих наиболее полному протека­нию процесса гидролиза, т. е. при рН>7. Так, наилучшее осветление воды при обработке ее сульфатом алюминия происходит при рН = 7,5—8,5, т. е. в зоне изоэлектрической точки гидроксида алюминия.

Обесцвечивание воды. Обработкой воды коагулянтами можно устранить до 80—90 % веществ, обусловливающих ее цветность. Ме­ханизм этого процесса еще не вполне ясен. Со­гласно одной гипотезе, обесцвечивание насту­пает в результате сорбции окрашивающих ве­ществ на поверхности продуктов гидролиза коагулянта. Другая точка зрения состоит в объяснении обесцвечивания как процесса вза­имной коагуляции противоположно заряжен-

ных коллоидов цветности и продуктов гидролиза коагулянтов. Заслу­живает внимания и предположение о наличии химического взаимо­действия между продуктами гидролиза катионов металлов и карбо­ксильными группами анионных окрашивающих веществ, приводящего к образованию комплексов.

Практика обработки окрашенных вод и научные исследования да­ют возможность сформулировать некоторые характерные закономер­ности протекания процесса обесцвечивания. Обесцвечивание воды за­вершается в первые минуты после введения коагулянта в воду. Даль­нейшие процессы хлопьеобразования, отстаивания и фильтрования не приводят к дополнительному снижению цветности. Максимальная сте­пень обесцвечивания имеет место при снижении ?-потенциала практи­чески до нуля. Следует отметить, что эффекты, достигаемые при сни­жении ?-потенциала за счет добавления кислоты и благодаря наличию катионов коагулянта, не равноценны. Область оптимальных значений рН, соответствующих наилучшему обесцвечиванию, узкая и определя­ется видом коагулянта, щелочностью воды, концентрацией и свойства­ми окрашивающих веществ. Оптимальные значения рН для сульфата алюминия — 4,5—6,2, для хлорида железа — 3,5—5,0. Они совпадают с наиболее благоприятными условиями формирования высокозаряжен­ных гидроксокомплексов.

Дубильные вещества и фульвокислоты удаляются хуже, чем гуми-новые вещества, и требуют более низких значений рН.

Таким образом, процесс обесцвечивания воды можно представить так. При добавлении к очищаемой воде раствора коагулянта в первый момент проходит гидролиз добавленной соли и образуются коллоид­ные гидроксиды алюминия или железа с огромной активной поверхно­стью, на которой адсорбируются коллоидные примеси воды.

При адсорбции следует различать два процесса: собственно ад­сорбцию и фиксацию (закрепление) адсорбированных коллоидов на поверхности. В адсорбции главную роль играют силы межмолекуляр­ного воздействия. Адсорбция коллоидных частичек зависит от их дисперсности: она тем больше, чем выше дисперсность и чем меньше

устойчивость коллоидных частичек. Причины фиксации различны в каждом конкретном случае. Наиболее часто необратимость процесса адсорбции гуминовых и других коллоидных загрязнений воды на гид-роксиде алюминия вызывается образованием особого рода поверхно­стных соединений — лаков.

Значительную роль в процессе фиксации адсорбированных коллои­дов может играть их коагуляция вследствие разноименности зарядов адсорбированных частичек и поверхности адсорбента.

Коагуляция частичек гидроксидов алюминия и железа и связанное с этим выпадение их из воды вместе с адсорбированными на их по­верхности коллоидными примесями происходит под действием раство­ренных в воде электролитов. Этим объясняется лучшая очистка вод с повышенным солесодержанием, чем мягких, бедных солями.

§ 5. ПРОЦЕСС ХЛОПЬЕОБРАЗОВАНИЯ И СПОСОБЫ УДАЛЕНИЯ ИЗ ВОДЫ ОБРАЗОВАВШЕЙСЯ ВЗВЕСИ

Укрупнение коллоидных частичек, образующихся в процессе гид­ролиза коагулянтов, происходит постепенно в течение длительного вре­мени. Вначале в результате броуновского движения образуются агре­гаты с массой, недостаточной для выпадения из раствора. Это так на­зываемая стадия скрытой коагуляции. Когда же укрупнение достигает предела, при котором образуются хлопья, легко видимые невооружен­ным глазом и оседающие под действием гравитационных сил, насту­пает стадия седиментации (осаждения).

Хлопьеобразование. Появлению видимых хлопьев предшествует (см. эту главу, § 3) стадия образования сверхмицеллярных структур, т. е. наблюдается возникновение рыхлой сетки, включающей большое количество дисперсионной среды (воды). С течением времени сетка разрывается на отдельные оседающие хлопья.

На структурообразование оказывает влияние солевой состав воды. Увеличение концентрации хлоридов и гидрокарбонатов повышает устойчивость возникающих структур, наоборот, сульфаты понижают ее. Поэтому в первом случае образуются крупные рыхлые хлопья, во втором— мелкие.

рН воды также оказывает большое влияние на структуру и размер і образующихся хлопьев. Например, продукты гидролиза солей алюми­ния в кислой среде образуют крупные, но более рыхлые хлопья, чем в 1 щелочной, где структурные свойства определяются присутствующими в больших количествах ОН-- и НСО3--ионами. Значения рН, при ко­торых формируются наиболее плотные, быстро осаждающиеся хлопья, для продуктов гидролиза сульфата алюминия находятся в пределах 5,5—7,5, для продуктов гидролиза солей железа — в пределах 6—7 и 8—9,5.

Регулируя рН и солевой состав воды, можно изменять плотность, оптимизировать условия образования и осаждения хлопьев.

Процесс коагулирования визуально характеризуется несколькими стадиями. После смешения раствора коагулянта с водой в первое вре­мя никаких изменений не происходит. Затем появляется опалесценция, и вслед за этим вода мутнеет от образования огромного количества

мельчайших хлопьев — до 5 000 в 1 мл (начало образования хлопьев). Образовавшиеся хлопья агрегируются в более крупные, число части­чек в единице объема уменьшается, и после того, как достигнет 5—10 в 1 мл (конец хлопьеобразования), начинается процесс их осаждения. Для интенсивного осветления и обесцвечивания воды обычно стремят­ся к получению легкооседающих крупных хлопьев с сильно развитой поверхностью. Одновременно стремятся к сокращению времени фор­мирования хлопьев. Обычно размер хлопьев лежит в пределах 0,5—3 мм. Меньшие значения характерны для обработки окрашенных вод.

Процесс образования достаточно крупных хлопьев определяется вероятностью столкновения и сцепления мельчайших агрегатов — об­ломков сверхмицеллярных структур. Вероятность столкновения зави­сит от их концентрации, подвижности и упорядоченности движения.

Концентрация мельчайших агрегатов в осветляемой воде определя­ется в основном дозой вводимого коагулянта. Оптимальную дозу коа­гулянта, обеспечивающую достижение необходимого эффекта осветле­ния, устанавливают в результате пробного коагулирования, которое является одним из элементов технологического анализа. При недо­статке коагулянта плохие результаты очистки воды обычно объясня­ются неполной астабилизацией частичек загрязнений, при избытке — рестабилизацией (новой стабилизацией) частичек вследствие их пере­зарядки. В обоих случаях коагулирование протекает вяло, обработан­ная вода опалесцирует, содержит в заметных количествах остаточные алюминий и железо. Оптимизация процесса коагулирования является важнейшей технологической задачей.

Нередко при проектировании очистных сооружений данными технологического анализа не располагают. Поэтому дозы коагулянтов выбираются ориентировочно. Так, при обесцвечивании воды доза рассчитывается по формуле



Подвижность частичек зависит от температуры и перемешивания. Практика показала, что скорость образования хлопьев сильно замед­ляется при низкой температуре, а их размер и структура получаются неудовлетворительными. В настоящее время установлено, что замед­ление при низких температурах гидролиза солей-коагулянтов не мо­жет быть причиной уменьшения скорости хлопьеобразования, так как время протекания гидролиза, как правило, не превышает 1 мин. Более вероятной причиной является повышенная гидратация частичек. В результате этого увеличивается размер частичек и снижается их под­вижность, что приводит к уменьшению количества столкновений. Кро­ме того, благодаря повышенной гидратации, не каждое столкновение частичек является эффективным, и система становится более стабиль­ной.

Перемешивание в значительной степени компенсирует неблагопри­ятное влияние низкой температуры. При этом ускоряется рост части­чек в результате их учащенного взаимного столкновения и усиливает­ся связь между частичками, т. е. хлопья образуются более прочные.

Установлено, что в интервале температур 3—18 °С на образование хлопьев затрачивается при перемешивании лишь 2—7 % времени, не­обходимого для достижения того же эффекта без перемешивания. Однако премешивание влияет на хлопьеобразование только в том случае, если величина частичек золя достигла некоторого предела.

Улучшает хлопьеобразование и качественные показатели обраба­тываемой воды также раздельная обработка воды коагулянтом. Сущ­ность метода заключается в том, что поток поступающей на обработку воды делится на две части. В одну часть вводится коагулянт, необхо­димый для обработки всей воды, а в другую не вводится. После окон­чания гидролиза и появления хлопьев оба потока смешиваются. По­вышение начальной концентрации коагулянта создает оптимальные условия хлопьеобразования. Этот метод целесообразно применять в водах с сравнительно малой мутностью.

Установлено также влияние цветности воды па скорость хлопьеоб­разования: при небольшой цветности (30—40 град) коагуляция про­дуктов гидролиза алюминия несколько ускоряется, а при большой (250 град) —-замедляется.

Ускорения хлопьеобразования можно достигнуть совместной обра­боткой воды флокулянтами и минеральными коагулянтами (см. даль­ше). Интенсификации процесса способствует также упорядочение хао­тического движения частичек путем введения искусственных центров коагуляции, наложения электрического поля и др.

Эксплуатационные данные показывают, что в мутных водах хлопья образуются быстрее и лучше, чем в прозрачных. Поэтому иногда для ускорения хлопьеобразования в камеры реакции специально вводят суспензию глины, частички которой являются своеобразными центра­ми агрегации (см. § 6).

На очистных станциях хлопьеобразование осуществляется в специ­альных камерах реакции, называемых также камерами хлопьеобразо­вания.

Сепарация (выделение) коагулированной взвеси из воды. Этот про­цесс происходит в специальных сооружениях, работа которых основана

главным образом на двух принципах — гравитационном осаждении и адгезии к поверхности фильтрующих насадок. Для отделения коагу­лированной взвеси центробежные силы используются редко.

Осаждение взвеси осуществляется при горизонтальном или верти­кальном потоке воды (в горизонтальных или вертикальных отстойни­ках). Отделение взвеси в процессе фильтрования происходит при дви­жении воды сверху вниз или снизу вверх через стационарный слой зернистого материала (фильтры и контактные осветлители) или взве­шенный слой осадка коагулированной взвеси (осветлители).

Прохождение воды через отстойники обеспечивает удаление из нее основной массы взвешенных веществ.

В отстойниках возможно как свободное, так и сопряженное осаж­дение. Поскольку концентрация взвеси в воде даже при обработке во­ды коагулянтами мала, в верхних слоях имеет место режим свободно­го осаждения, при котором исключается влияние частичек друг на дру­га. В нижних слоях, где концентрация взвеси увеличивается за счет частичек, оседающих из верхних слоев, наблюдается сопряженное осаждение, при котором одни частички увлекают другие, содействуя процессу осаждения. В образующемся «облаке» хлопьев размеры ча­стичек колеблются от очень крупных до чрезвычайно мелких. При до­статочном сгущении такое «облако» действует почти как фильтр.

Скорость осаждения частичек взвеси зависит от их размера и фор­мы, состояния поверхности, разности плотностей твердой фазы и воды, от вязкости воды.

Скорость осаждения мелкой частички шарообразной формы, не ме­няющей своего размера при осаждении, выражается формулой Стокса:



Поскольку вязкость и плотность воды с повышением температуры уменьшаются, скорость осаждения при этом увеличивается. Домини­рующее значение при увеличении скорости осаждения, связанное с из­менением температуры, имеет вязкость, так как при повышении тем­пературы воды от 5 до 30 ° С вязкость ее уменьшается вдвое, в то вре­мя как плотность уменьшается лишь на 2 %.

Взвесь, образующаяся при обработке природных вод коагулянта­ми, неоднородна по форме, величине и плотности. Характер выпадения такой взвеси можно установить только опытным путем на основании данных графика, где на оси абсцисс откладывается время осаждения, а на оси ординат — величины, характеризующие массу выпавшей взве­си (рис. IV.12). Проводя касательные к отдельным точкам кривой и продолжая их до пересечения с осью ординат, получают массу полно­стью осевших к данному времени фракций. Общую массу всей взвеси определяют высотой перпендикуляра АВ, опускаемого на ось абсцисс. Кривые выпадения взвеси характеризуют ее состав и поведение при отстаивании. Чем круче начальный участок кривой, тем больше круп­ность и неоднородность взвеси и тем скорее она осаждается. При бо­лее пологом характере кривой взвесь более однородна и осаждается медленнее.



Кроме длительности отстаивания, эффект задержания взвеси зави­сит от мутности исходной воды. Чем выше концентрация взвешенных веществ (в том числе и продуктов гидролиза коагулянтов), тем выше процент выпадения взвеси. Однако остаточная мутность обычно воз­растает.

Осаждение приводит к накоплению на дне отстойников осадка. Структура и объем образовавшегося осадка зависят от характера взвеси, солевого состава воды, вида применяемого коагулянта, темпе­ратурных условий и других факторов. С течением времени объем осад­ка скоагулировавших взвесей уменьшается, что связано с выделением ранее адсорбированных электролитов в раствор и выделением воды, поглощенной поверхностью частичек. При этом происходит старение

гелей гидроксидов металлов, сопровождающееся уплотнением их структур.

Значительное влияние на результаты отстаивания воды оказывает равномерность распределения и сбора воды в отстойниках, изменение характера потока вблизи колонн, выступов, накопление осадка, пере­пад температур и др. Улучшение гидравлических условий отстаивания (устройство продольных и дырчатых поперечных перегородок, отжим­ных щитов, рассредоточение отбора отстоенной воды, своевременное удаление осадка и т. п.) способствует повышению эффекта осветления.

Одной из серьезных причин ухудшения работы отстойников являет­ся разбивание хлопьев на входе воды, что можно значительно умень­шить, если оборудовать отстойники встроенными камерами хлопьеоб-разования.

Одним из интересных способов усовершенствования сепарации ко­агулированной взвеси является тонкослойное отстаивание воды в на­клонных каналах или трубках. В результате уменьшения глубины слоя осветляемой воды, улучшения гидравлических условий отстаива­ния и удаления осадка значительно сокращается длительность пребы­вания воды в таких отстойниках.

Сущность процесса осветления воды во взвешенном слое осадка со­стоит в том, что обрабатываемая вода пропускается через слой ранее сформированной коагулированной взвеси или осадка, получающегося в результате реагентного умягчения воды. Роль взвешенного слоя осадка двояка: с одной стороны, он ускоряет процесс хлопьеобразова-ния за счет каталитического влияния ранее сформированной взвеси и одновременно служит фильтром, способствуя лучшему осветлению во­ды; с другой стороны, при таком методе увеличивается использование адсорбционной емкости хлопьев, что значительно улучшает процесс обесцвечивания и снижает расход коагулянта. На практике этот про­цесс осуществляется в переоборудованных вертикальных отстойниках или в специальных сооружениях — осветлителях.

Эффективность осветления и обесцвечивания воды в осветлителях примерно в 1,5—2 раза больше, чем в отстойниках. Недостатком осве­тлителей является гидродинамическая неустойчивость взвешенного в восходящем потоке воды шлама. Для стабилизации взвешенного слоя при небольшой мутности очищаемой воды и интенсификации процесса в воду добавляют флокулянты (см. дальше), мелкий кварцевый пе­сок (d?120 мкм), дробленный магнетит и др. Осветлители со взве­шенным слоем применяются в двухступенчатой схеме очистки воды с обязательным последующим фильтрованием.

Одним из методов освобождения воды от коагулированной взвеси является фильтрование ее через слой зернистого материала. Фильтро­вальные сооружения могут применяться в качестве второй ступени ос­ветления в схемах с отстойниками или осветлителями и как самостоя­тельные сооружения в схемах безотстойного фильтрования. Они рабо­тают по принципу скорого фильтрования: без образования осадка на поверхности зернистой загрузки, с задержанием взвеси в ее толще.

Процесс осветления фильтруемой суспензии — результат двух про­тивоположно направленных процессов: адгезии частичек взвеси к по­верхности зерен фильтрующего материала и отрыва ранее прилипших












большее применение находят и новые материалы естественного происхождения (горелые породы, доменные и вулканические шла­ки, гранит, пиролюзит, магнетит, аглопорит, шунгизит, ильменит) и искусственные (графит, капрон, полистирол, поливиниловая и по­лиамидная смолы). Иногда мате­риалы естественного происхож­дения подвергают специальной обработке (силиконом, смолами, электролитами и полиэлектроли-гами).

В последние годы широко применяется метод осветления

воды, основанный на явлении контактной коагуляции.

Контактная коагуляция в отличие от коагуляции, происходящей в камерах хлопьеобразования (коагуляция в объеме), протекает на по­верхности сорбента. При контактной коагуляции коллоидные и взве­шенные примеси воды сближаются с поверхностью зерен сорбента или ранее осевших на них частичек примесей и фиксируются на этой по­верхности под действием молекулярных сил адгезии. Интенсивность прилипания во много раз выше взаимного сцепления частичек, проис­ходящего в объеме, и зависит от площади поверхности зерен в едини­це объема материала.

Коллоидные частички в результате перехода стабилизатора (двой­ного электрического слоя или гидратной оболочки) с поверхности час­тички на поверхность сорбента теряют агрегативную устойчивость и образуют вокруг каждого зерна скопления геля с сетчатой струк­турой.

Коагуляция в контакте с посторонней твердой поверхностью имеет ряд преимуществ по сравнению с коагуляцией в объеме: протекает быстрее и полнее, требует меньших доз коагулянта, температура воды не оказывает большого влияния на ход процесса, протекает удовле­творительно даже при малой мутности и низком щелочном резерве исходной воды.

Метод контактной коагуляции осуществляется в контактном филь­тре или контактном осветлителе (рис. IV. 14) при фильтровании воды через зернистый слой в направлении убывающей крупности загрузки. При этом смешение коагулянта с обрабатываемой водой производится непосредственно перед поступлением воды в загрузку.

Важным преимуществом метода контактной коагуляции являет­ся возможность осветления воды в одном сооружении. Контакт­ные осветлители рекомендуется применять при содержании взве­шенных веществ в исходной воде не более 150 мг/л и цветности не выше 150 град.

§ 6. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ КОАГУЛИРОВАНИЯ ВОДЫ

Основными свойствами, определяющими полноту и скорость выде­ления коагулированной взвеси в осадок, при всех методах сепарации является структурная прочность и плотность хлопьев, их адгезионная активность и тиксотропная обратимость.

Нередко возникает необходимость улучшения этих параметров, особенно при очистке маломутных холодных вод. В практике водо­очистки для этой цели применяют методы, которые дают возможность улучшить технологические свойства взвесей и ускорить их формиро­вание — интенсифицировать процесс коагулирования.

Методы интенсификации делятся на реагентиые и безреа-гентные.

К первой групее относятся методы, при которых вода обрабатыва­ется дополнительными реагентами: флокулянтами, окислителями, ре­гуляторами величины рН воды, минеральными замутнителями.

Вторую группу составляют методы, осуществляемые без использо­вания дополнительных реагентов: различные способы перемешивания воды, обработанной коагулянтом; рациональные способы добавления коагулянтов к воде; возврат части отработанного осадка в зону ввода новых порций коагулянта; совмещение обработки воды коагулянтами с физическими методами воздействия —• магнитным и электрическим полями, ультразвуком и т. д.

Среди реагентных методов обработка воды флокулянтами по эф­фективности и распространенности занимает особое место и ей будет посвящен отдельный параграф.

Обработка воды окислителями (хлором, озоном и др.) наряду с обеззараживанием приводит к окислению и разрушению органических примесей воды. Разрушение при этом гумусовых веществ, стабилизи­рующих неорганические суспензии (глинистые частички, продукты гидролиза солей алюминия и железа) и препятствующих их агрегации и осаждению, способствует улучшению процесса коагулирования воды.

О необходимости корректировки величины рН в ходе обработки воды коагулянтами мы отмечали в § 1—5. Для этой цели используют различные щелочные и кислотные реагенты.

Из щелочных реагентов наиболее распространена известь, которую чаще всего используют в гашеном виде (известь — пушонка содержит до 67 % СаО и MgO). Из-за малой растворимости гашеную известь обычно дозируют в виде известкового молока, содержащего до 15 % СаО. Известковое молоко, содержащее большое количество твердой фазы, особенно эффективно при очистке маломутных вод, когда до­бавление дисперсных материалов содействует ускорению коагулиро­вания воды. Кроме гашеной извести применяют измельченный карбо­нат кальция, негашеную известь, кальцинированную соду, едкий натр, гидрокарбонат натрия и др. Если нужно создать в воде дополнитель­ный щелочной резерв и улучшить коагулирование за счет механичес­ких добавок, подщелачивающие реагенты вводят перед коагулянтом.

Из кислотных реагентов для корректировки величины рН применя­ют практически только серную кислоту, реже — соляную и угольную кислоты. Подкисление особенно целесообразно при обработке окра-

шенных вод, так как обеспечивает значительное повышение эффекта обесцвечивания и экономию коагулянта.

Внесение в воду минеральных замутнителей, частички которых иг­рают роль дополнительных центров конденсации продуктов гидроли­за, ускоряет их коагуляцию при очистке маломутных вод. Кроме того, при замутнении воды происходит утяжеление и увеличение гидравли­ческой крупности хлопьев коагулированной взвеси. Нередко замутня-ющие вещества сорбируют растворенные примеси, способствуя увели­чению глубины очистки воды и ионы, определяющие степень устой­чивости золей, что облегчает условия коагуляции.

Наиболее распространенным замутнителем являются глины: монт­мориллонит, палыгорскит и др. Оптимальные дозы глин составляют от нескольких десятков до нескольких сот миллиграммов на литр во­ды. Второй по значению замутнитель— карбонат кальция улучшает хлопьеобразование не только за счет создания центров конденсации твердой фазы, но и в результате повышения величины рН, что осо­бенно важно для маломинерализованных вод. В качестве замутните­лей рекомендуются также оксиды алюминия, хрома и железа, мелкий кварцевый песок, металлическая пыль, молотый антрацит и т. п.

Влияние перемешивания воды как безреагентного метода интенси­фикации и улучшения процесса коагулирования уже рассматривалось в §5.

Выбор наиболее рациональных способов добавления коагулянтов в обрабатываемую воду основывается на максимальном использовании концентрационных и каталитических эффектов, а также лучших гид­родинамических условий перемешивания. Различают фракционирован­ное, концентрированное и прерывистое коагулирование.

Сущность фракционированного коагулирования состоит в том, что расчетное количество коагулянта добавляется к воде не одной, а дву­мя или несколькими последовательными порциями. Достигаемый при этом технологический эффект объясняют образованием в результате гидролиза первых порций коагулянта твердой фазы, частички которой являются центрами хлопьеобразования при гидролизе последующих порций коагулянта. Применение фракционированного коагулирования повышает эффект осветления, снижает дозу коагулянта, увеличивает плотность хлопьев коагулированной взвеси.

Ускоренное хлопьеобразование, повышение качества очистки воды наблюдается при раздельном методе обработки воды коагулянтом (концентрированное коагулирование). С этим методом мы познакоми­лись в предыдущем параграфе.

Прерывистым (периодическим) коагулированием достигается бо­лее полное использование свойств продуктов гидролиза коагулянта при их избытке. Метод заключается в чередовании периодов подачи в обрабатываемую воду увеличенных доз коагулянта с периодами пол­ного прекращения ввода коагулянта. Применение метода значительно (до 30—50 %) сокращает потребность в коагулянте, увеличивает дли­тельность фильтроцикла на скорых фильтрах и контактных осветли­телях. Длительность периода дозировки коагулянта обычно составляет 1—3 ч, а соотношение продолжительности введения коагулянта и вре­мени, когда его подача прекращается, колеблется от 3 : 1 до 0,3: 1.

Следует иметь в виду, что при увеличении цветности обрабатываемой воды эффективность метода понижается.

Предложен способ улучшения и интенсификации процесса коагули­рования, основанный на использовании для обработки воды концент­рированных растворов коагулянтов: вместо обычно используемых ра­бочих 0,25—10 %-х растворов применяют 25—26 %-й раствор сульфа­та алюминия и 11—13%-й раствор сульфата железа (III). Способ позволяет в 1,5—2,5 раза снизить мутность и в 2—3 раза уменьшить цветность обработанной воды, на 25—35 % сократить расход коагу­лянта.

Обработка воды коагулянтами с возвратом части отработанного осадка в зону ввода новых порций коагулянта в ряде случаев приво­дит к значительной экономии (до 30 %) коагулянта и ускорению оса­ждения коагулированной взвеси в отстойниках и осветлителях. До­стигаемый эффект объясняют более полным использованием свойств продуктов гидролиза и ускоренным формированием хлопьев в кон­такте с ранее выделенным осадком. Обычно применяется для интен­сификации коагулирования маломутных вод.

Следует отметить, что использование физических воздействий на процесс обработки воды коагулянтами не всегда дает положительные результаты.

При наложении электрического поля на дисперсную систему, коа­гулирующую под влиянием электролитов, бывает трудно отличить на­блюдаемые эффекты от побочных процессов, сопровождающих элек­тролиз (анодного растворения металла, выделения газов и др.). Тем не менее воздействие электрического поля ускоряет коагуляцию дис­персных примесей воды и продуктов гидролиза коагулянтов. В поле постоянного тока ускоряются, например, процессы хлопьеобразования и осаждения коагулированной взвеси, полученной при обработке суль­фатом алюминия мутных вод; повышается степень очистки воды от органических и неорганических примесей фильтрованием.

Магнитная обработка в процессе коагулирования воды гидроли-зующимися коагулянтами изменяет свойства продуктов гидролиза: уменьшается структурно-механическая гидратация и ^-потенциал час­тичек; на 30—40 % возрастает сорбционная емкость продуктов гид­ролиза коагулянтов по отношению к гуминовым веществам. При очи­стке вод, содержащих минеральные взвеси, увеличивается плотность и гидравлическая крупность хлопьев коагулированной взвеси, повыша­ется производительность отстойников и осветлителей со взвешенным осадком, несколько снижается мутность осветленной воды. Магнитная обработка окрашенной воды увеличивает плотность коагулированной взвеси, а также интенсифицирует коагуляцию.

Хорошие результаты дает использование одновременно с коагулян­тами низкочастотных (50 Гц) механических колебаний: седиментация частичек каолиновой суспензии ускоряется примерно в 2 раза.

В результате разрушающего действия ультразвука погибают неко­торые бактерии, зоопланктон и водоросли, разрушаются фенолы. Это содействует успешной коагуляции. Предложенные способы практичес­кого использования ультразвука на водоочистных сооружениях пред­усматривают обработку воды после добавления коагулянта.

§ 7. ФЛОКУЛЯНТЫ

В современной технологии осветления и обесцвечивания воды все шире используются вещества, интенсифицирующие и улучшающие процесс коагулирования, — флокулянти. Их действие состоит в уско­рении и повышении эффективности агрегации частичек. Это проявля­ется в образовании крупных, быстрооседающих в отстойниках хло­пьев и улучшении работы фильтров за счет уменьшения количества взвеси, выносимой из сооружений первой ступени (отстойники, освет­лители), а также большей прочности и плотности самих хлопьев. К флокулянтам относятся вещества минерального происхождения (ак­тивная кремниевая кислота) и органические (природные и синтетичес­кие) высокомолекулярные соединения.

Активная кремниевая кислота (АК). Высокая эффективность, де­шевое и недефицитное сырье, полная безвредность препарата для здо­ровья человека обеспечивают ему особое место среди флокулянтов, используемых при подготовке воды. Активная кремниевая кислота представляет собой коллоидные растворы кремниевой кислоты либо ее труднорастворимых солей. Исходными продуктами для получения золей АК служит силикат натрия («жидкое стекло») и активирующий реагент.

Процесс активирования силиката натрия заключается в его раз­ложении, частичной или полной нейтрализации щелочности и полу­чении свободной кремниевой кислоты или ее труднорастворимых со­лей. В качестве активирующих реагентов применяются неорганические кислоты, их ангидриды, хлор, кислые соли, а также соли, гидролиз которых протекает с образованием кислот и др. Наиболее перспектив­ными активирующими реагентами считаются хлор, серная кислота, сульфат алюминия, кремнефторид натрия.

Из силикатов натрия для получения АК наиболее пригодны сили­каты с пониженным содержанием Na2O (отношение масс SiO2/Na2O = = 3,3; молярное отношение SiO2/Na2O?3,4). Процессы, приводящие к образованию золей АК, очень сложны и недостаточно изучены, од­нако считают, что H2Si03 гидролизуется с образованием Si (ОН) 4, ко­торая конденсируется с образованием силоксановых связей:



раствор кремниевой кислоты обладает в момент, непосредственно предшествующий образованию геля (0,5—2 ч). Обычно при активации применяют 1,5—2 %-й (считая на SiO2) раствор силиката натрия, сте­пень нейтрализации щелочности — от 80 до 95 %.

АК приготавливают на водоочистных станциях непосредственно перед использованием. На практике обычно пользуются 0,3—0,75 %-м растворам АК (считая на SiO2).

Интенсифицирующее влияние АК на процессы флокуляции, седи­ментации и фильтрования чаще всего объясняют взаимной коагуляцией противоположно заряженных коллоидных частичек оксида кремния (IV) и продуктов гидролиза коагулянтов. Серьезным возражением против этого объяснения является тот факт, что ускорение хлопьеоб-разования имеет место в широком интервале соотношений реагентов. Поэтому более вероятным является предположение о влиянии АК на свойства сверхмицеллярной структуры, образующейся при обработке воды коагулянтом. Действительно, исследования структурно-механи­ческих свойств системы при добавках АК к сульфату алюминия пока­зало, что АК обеспечивает гораздо большую прочность возникающей структуры, ускорение хлопьеобразования, увеличение размеров и плот-ности хлопьев.

К преимуществам АК, которые выдвигают ее на одно из первых мест среди флокулянтов, относится способность АК значительно рас­ширять область эффективных доз коагулянтов и область рН, в которой коагулирование протекает успешно.

Особенно эффективно действие АК в условиях низких температур, когда даже при значительных дозах коагулянта замедляется процесс хлопьеобразования, вследствие чего обработанная вода имеет низкие показатели, наблюдается явление отлежки. Введение АК снижает до­зу коагулянта и одновременно ускоряет хлопьеобразование, а также улучшает структуру хлопьев.

Обработка воды АК благотворно влияет на работу осветлителей, взвешенный слой которых очень чувствителен к малейшим колебаниям температуры и скорости протекания воды. АК стабилизирует режим работы осветлителей, способствует повышению концентрации дис­персной фазы во взвешенном слое и, следовательно, более глубокой очистке воды.

Хлопья, образованные с добавками АК, значительно лучше удер­живаются фильтром, что приводит к увеличению фильтроцикла и по­вышению грязеемкости загрузки. В связи с этим возможно применение для загрузки более крупнозернистых материалов и увеличение ско­рости фильтрования. Кроме того, использование АК способствует ocj вобождению воды от многих примесей: нефтепродуктов, органических соединений, вызывающих запахи и привкусы, марганца, магния, же­леза, радиоактивных веществ и др. Оптимальные дозы АК обычно не превышают 10 % от дозы используемого коагулянта.

Высокомолекулярные органические флокулянты. Это водораство­римые линейные полимеры с молекулярной массой до 1 000 000 и сте­пенью полимеризации — 1 000—4 500. Молекулы флокулянтов пред­ставляют собой вытянутые цепочки длиной до 0,8—1 мкм и толщиной 0,0003—0,0007 мкм. Флокулянты находятся в воде в неионизирован-

ном состоянии (поливиниловый спирт, полиакрилонитрил) либо дис­социируют на ионы. Поскольку флокулянты, диссоциирующие на ионы, обладают свойствами как полимеров, так и электролитов, их называ­ют полиэлектролитами.

Диссоциация полиэлектролитов происходит с образованием высо­комолекулярного поливалентного иона и многих простых маловалент­ных ионов. В зависимости от знака заряда сложного иона различают катионные и анионные полиэлектролиты. К первым относятся полиэти-ленимин, полиметиламиноэтилметакрилат-гидроацетат, поливинилбу-тилпиридинбромид и др., ко вторым — полиакрилат натрия, карбокси-метилцеллюлоза, альгинат натрия и др. Существуют и амфотерные полиэлектролиты, характер диссоциации которых и знак заряда поли­валентного иона зависят от рН раствора. К ним относятся белки, гид-ролизованный полиакриламид и т. д.

Важным шагом в распространении флокулянтов явилось получение синтетических полимеров с большой молекулярной массой. В настоя­щее время синтетические флокулянты выпускаются американскими, японскими, немецкими, голландскими, французскими и другими фир­мами в виде твердых порошков или 8—10 %-х гелей. В США для очи­стки природных вод разрешено применение флокулянтов более 78 на­именований.

Наиболее детально изучено флокулирующее действие полиакрил-амида — сополимера акриламида и солей акриловой кислоты. Промы­шленное производство полиакриламида осуществлено п в Советском Союзе.

Механизм флокулирующего действия высокомолекулярных веществ в достаточной степени еще не выяснен. В настоящее время причину этого явления видят в адсорбции молекул полимеров поверхностью взвешенных частичек. Поскольку молекулы полиэлектролитов имеют вытянутую форму, происходит адсорбция отдельных участков цепочки полимера несколькими взвешенными частичками, в результате чего эти частички оказываются связанными в один агрегат. С этой точки зрения наиболее желательна вытянутая форма молекул, так как каж­дое звено цепочки может быть адсорбировано твердой частичкой. По­скольку часть способных к адсорбции звеньев экранируется соседни­ми группами или вступает во внутримолекулярные ассоциации, изви­тые формы молекул флокулируют хуже (рис. IV. 15).

Как правило, полиэлектролиты применяются вместе с минераль­ными коагулянтами. Исключение составляют некоторые флокулянты



мер, доза полиакриламида должна составлять 0,05—1,5 % от коли­чества взвешенных веществ, что соответствует 0,01—2 мг/л. Для других видов флокулянтов оптимальные дозы составляют 0,1 — 1 % от массы твердой фазы (0,1—5 мг/л). Оптимальную дозу флокулянтов для каждого конкретного случая устанавливают в процессе пробной коагуляции.

В последнее время в нашей стране синтезированы новые флоку-лянты катионного типа (ВА-2, ВА-3), которые используются для об­работки воды без применения минерального коагулянта. Препарат ВПК-Ю1 (ВА-2) разрешен для использования в технологии очистки воды. Предельно допустимая концентрация его в питьевой воде — 0,5 мг/л.

§ 8. ЭЛЕКТРОКОАГУЛЯЦИЯ

Электрокоагуляция является методом безреагентного коагулиро­вания, в основе которого лежит процесс анодного растворения металлов под влиянием постоянного электрического тока. Перешедшие в раствор катионы А13+ или Fe2+ гидролизуются, а затем коагулируют, обеспечивая очистку воды. Процесс осуществляется в электрокоагуля­торе; основной его элемент — набор железных или алюминиевых пла­стин, в зазорах между которыми протекает обрабатываемая вода. Под­ключение пластин электродного пакета к источнику тока большой си­лы и низкого напряжения может быть параллельным или последова­тельным. В первом случае все электроды действуют как монополяр­ные, во втором — промежуточные пластины работают биполярно (рис. IV. 16).

Количество железа, растворяющегося в единицу времени, пропор­ционально силе рабочего тока и составляет до 95—98 % от количе­ства, рассчитанного в соответствии с законами Фарадея. Выход алю­миния может превышать расчетную величину, что нередко объясня­ют дополнительным растворением катода за счет высоких концентра­ций щелочи в прикатодном слое. Один грамм растворенного алюминия эквивалентен 6,35 г безводного сульфата алюминия, а один грамм же­леза — 1,93 г безводного хлорида железа.



плексов. К недостаткам электрокоагуляции относится выделение зна­чительных количеств газов (водорода на катоде и кислорода на ано­де), пузырьки которых могут вызвать флотацию хлопьев. Флотация, замедляющая осаждение хлопьев в отстойниках или осветлителях, уменьшается с увеличением содержания в воде взвешенных веществ. Электрокоагуляция дает хороший эффект при удалении фульвокис-лот, позволяет достигать глубокого обесцвечивания воды и снижения окисляемости. Методом электрокоагуляции хорошо удаляются эмуль­гированные вещества, растворенные газы (кислород, сероводород, хлор), кремниевая кислота, фенолы, радиоактивные и поверхностно-активные вещества. Компактность и простота эксплуатации электро- коагуляторов делают данный метод особенно пригодным для очистки небольших объемов воды, например, для автономных oбъeктoв.

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11


§ 2. ГИДРОЛИЗ КОАГУЛЯНТОВ
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации