Если при подготовке к экзамену возникли какие-то вопросы, то пишите: n-tretyakova@mail.Ru Физико-химические методы очистки сточных вод

Физико-химические методы применяют для очистки сточных вод от мелкодисперсных взвешенных частиц, растворенных газов, минеральных и органических веществ.

К этим методам относятся коагуляция, флокуляция, флотация, экстракция растворителями, адсорбция, обратный осмос и дегазация.

Коагуляция

Частицы примесей со средней и хорошей смачиваемостью, не реагирующие со смачивающими жидкостями, могут образовывать с ними при перемешивании механические смеси, коллоидные растворы и истинные растворы. Истинные растворы содержат вещества в виде молекул, атомов, ионов и других частиц с характерными размерами 10^–9 м и менее.

К жидким коллоидным растворам относят высокодисперсные и грубодисперсные смеси с размерами частиц соответственно от 10^–9 до 10^–7 м и от 10^–7 до 10^–5 м. Грубодисперсные жидкие коллоиды с твердой дисперсной частью называют суспензиями, с жидкой – эмульсиями.

Коагуляция – процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты.

При коагуляции наблюдается слипание частиц коллоидной системы при их столкновениях в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты – более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления более мелких (первичных).

При очистке сточных вод коагуляцию применяют для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ.

При очистке сточных вод требуется нарушить агрегативную устойчивость дисперсной системы. Устойчивость нарушается, если в результате физических или химических воздействий изменяется заряд, свойства поверхности частиц, свойства стабилизатора системы (защитных коллоидов, например, ПАВ) или в случае вывода этих стабилизаторов из системы.

В зависимости от действующих факторов устойчивости, которые необходимо устранить, чтобы начался процесс коагуляции, выделяют несколько способов коагуляции дисперсных систем (сточных вод):

• коагуляция электролитами (при этом способность электролита вызывать коагуляцию коллоидной системы возрастает с увеличением валентности коагулирующего иона, обладающего зарядом, противоположным по заряду коллоидных частиц);

• гетерокоагуляция, в том числе взаимная коагуляция коллоидов (частицы вводимого коллоида должны иметь знак электрического заряда противоположный знаку загрязняющих частиц. При этом происходит взаимная нейтрализация сталкивающихся между собой разноименно заряженных частиц взвеси и коллоида добавленного реагента. Это приводит к слипанию частиц, их укрупнению и осаждению. При осуществлении процесса коагуляции по этой схеме количество добавляемого к воде коллоида-коагулятора должно быть эквивалентным по электрическим зарядам общему количеству зарядов частиц коагулируемого коллоида);

• коагуляция под действием физико-химических факторов (окисление, перемешивание, нагревание, замораживание и т.д.).

Основным способом коагуляционной очистки сточных вод является гетерокоагуляция.

Гетерокоагуляция – взаимодействие коллоидных и мелкодисперсных частиц с агрегатами, образующимися при введении коагулянтов в воду.

В качестве коагулянтов используются сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃, сульфат железа (II) FeSO₄, сульфат железа (III) Fe₂(SO₄)₃, хлорид железа (III) FeCl₃, оксихлорид алюминия Al₂(OH)₅Cl, смеси солей железа и алюминия.

При введении в воду солей алюминия и железа в результате реакций гидролиза образуются малорастворимые в воде гидроксиды железа и алюминия:

Al₂(SO₄)₃ + 6H₂O → 2Al(OH)₃ + 3H₂SO₄;

FeCl₃ + 3H₂O → Fe(OH)₃ + 3HCl.

Образующиеся в процессе гидролиза серная или соляная кислота должны быть нейтрализованы, иначе равновесие реакции будет сдвинуто влево.

При обработке воды солями алюминия и железа, помимо гидроксидов, в результате реакций между ионами алюминия или железа, молекулами воды и гидроксо-группами образуются различные гидроксосоединения катионного и анионного типа (Al₂(OH)₂⁴⁺, Al₂(OH)₅⁺, Al₆(OH)₁₅³⁺, Fe(OH)₂⁺, Fe₂(OH)₂⁴⁺, Al(OH)₄^–, Fe(H₂O)₂(OH)₄^– и другие). Наличие этих соединений, имеющих различную растворимость в воде, зависит от значения рН, ионного состава воды, температуры, концентрации реагента и т.д.

Образовавшиеся соединения взаимодействуют с частицами загрязнений, полностью меняя их поверхностные свойства и нейтрализуя их заряд. Поэтому происходит их соединение в крупные агломераты, имеющие бόльшую скорость осаждения.

Коагулянты не только вызывают укрупнение частиц загрязнений, но и образуют малорастворимые хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести. Хлопья представляют собой крупные частицы неправильной формы с рыхлой сетчатой структурой. Размер хлопьев колеблется в широких пределах – от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. Рыхлая пространственная структура хлопьев осадков обусловливает значительное содержание в них воды (влажность составляет 96–99,99%). Хлопья обладают способностью сорбировать вещества, взаимно слипаться с коллоидными и взвешенными частицами, агрегировать их.

На скорость и эффективность процесса очистки сточных вод гетерокоагуляцией оказывают влияние многие факторы:

• концентрация коагулянта. При малых концентрациях коагулянта эффективность соударений частиц (т.е. отношение числа столкновений, окончившихся слипанием, к общему числу столкновений) близка к нулю. По мере роста концентрации скорость коагуляции увеличивается, но не все столкновения эффективны, т.е. не все оканчиваются слипанием частиц. Такую коагуляцию называют медленной. При некотором значении концентрации коагулянта наступает быстрая коагуляция, при которой все столкновения частиц заканчиваются образованием агрегатов, скорость коагуляции при этом не возрастает при увеличении концентрации коагулянта;

• температура. С ростом температуры увеличивается скорость броуновского движения частиц, а, следовательно, и вероятность их столкновения. При невысоких температурах образуются мелкие медленно оседающие хлопья, увеличиваются необходимые дозы коагулянтов и снижается эффективность очистки;

• количество и состав растворенных в воде примесей. Неорганические вещества, имеющие общий ион с коагулянтом ускоряют процесс коагуляции. Органические вещества, присутствующие в очищаемой воде, затрудняют процесс коагуляции. Они адсорбируются на растущих частицах коагулянта в виде пленок и тормозят рост этих частиц. Это приводит к повышению дисперсности частиц;

• концентрация коллоидных и мелкодисперсных примесей. С возрастанием концентрации коллоидных и мелкодисперсных примесей в воде скорость коагуляции увеличивается (они выступают в качестве центров кристаллизации, на которых начинается рост крупных хлопьев). В полидисперсных системах коагуляция происходит быстрее, чем в монодисперсных, так как крупные частицы при оседании увлекают за собой более мелкие;

• рН. Каждый коагулянт имеет свой рабочий интервал диапазона рН, в котором рекомендуется его использование;

• форма частиц. Удлиненные частицы коагулируют быстрее, чем шарообразные;

• перемешивание. С увеличением интенсивности перемешивания возрастает вероятность столкновения частиц, следовательно, увеличивается скорость их роста. Однако интенсивное перемешивание может необратимо разрушать образующиеся хлопьевидные агрегаты.

Выбор коагулянта зависит от его состава, физико-химических свойств и стоимости, концентрации примесей в воде, от рН и солевого состава воды.