1. Осветление промышленных сточных вод

1. Дисперсные системы

Каждое тело ограничено поверхностью, на которой могут развиваться поверхностные явления. К телам с высокоразвитой поверхностью относятся частицы взвешенных веществ в сточных водах. Совокупность таких частиц вместе со средой, в которой они распределены, представляет собой дисперсную систему. Дисперсные системы - наиболее типичные и сложные объекты коллоидной химии, потому что в них проявляется все многообразие поверхностных явлений, формирующих особые свойства таких систем. Сточные воды - типичные дисперсные системы.

Для сточных вод характерны два общих признака: гетерогенность и дисперсность. Гетерогенность указывает на наличие межфазной поверхности, а дисперсность /раздробленность/ определяется размерами и геометрией /формой/ тела. Дисперсность придает новые свойства не только отдельным элементам дисперсной системы, но и всей системе. С ростом дисперсности повышается роль поверхностных явлений в системе. Дисперсность является чисто количественным параметром, характеризующим размер межфазной поверхности.

Все системы по кинетическим свойствам дисперсной фазы делят на два класса: свободнодисперсные системы, в которых дисперсная фаза подвижна, и связаннодисперсные системы - системы с твердой дисперсионной средой, в которой частицы дисперсной фазы связаны между собой и не могут свободно перемещаться. Сточные воды относятся к свободнодисперсным системам. Последние подразделяют на ультрамикрогетерогенные, размер частиц которых лежит в пределах от 10^-9 до 10^-7 м; микрогетерогенные с размером частиц от 10^-7 до 10^-5 м и грубодисперсные с частицами, размер которых превышает 10^-5 м. Ультрамикрогетерогенные системы часто называют истинно коллоидными /или золями/.

Для всех свободнодисперсных разбавленных систем, в которых движение частиц не осложнено их агрегацией, характерны общие закономерности электрокинетических и молекулярно-кинетических свойств. В практике водоочистки в зависимости от дисперсности твердой фазы суспензии подразделяют на грубые /диаметр частиц свыше 100 мкм/, тонкие /от 100 до 50 мкм/ и мути /от 0.5 мкм до 100 нм/. Иногда в эту классификацию включают золи с размером частиц менее 100 нм, но по ряду специфических признаков они представляют собой качественно отличающийся вид дисперсных систем.

Характерным общим свойством суспензий, эмульсий является склонность частиц к оседанию или всплыванию частиц дисперсной фазы. Оседание частиц называют седиментацией, а всплывание - обратной седиментацией

1.2. Осветление сточных вод под действием сил тяжести

Выделение из сточных вод взвешенных частиц производится на станциях ее реагентного осветления и обесцвечивания в отстойниках или осветлителях. Декантация взвешенных частиц происходит под действием сил тяжести. Частица при своем падении в жидкости испытывает силу сопротивления, которая описывается линейным законом Стокса

, (1.1)

где – сила сопротивления,  – коэффициент динамической вязкости, d – диаметр частицы, U₀ – скорость осаждения частицы.

Согласно закону Стокса сила сопротивления осаждающейся частицы изменяется пропорционально скорости осаждения. При малых скоростях осаждения (ламинарный режим) и малых размерах частиц на сопротивление движению частиц оказывают влияние только силы вязкости.

Скорость осаждения мелких (10^-1 – 10^-4 мм) плотных частиц сферической формы, не изменяющих своего объема в процессе осаждения при Re <2, можно определить по формуле, выведенной на основе закона Стокса:

, (1.2)

где g – ускорение свободного падения; _т и _в – плотность частиц взвеси и воды; .

Если осаждающаяся частица представляет собой комплекс веществ разной плотности, как это имеет место в практике водоочистки, то формула принимает вид

, (1.3)

где – плотности составляющих частиц; W₁, W₂, W_n – их относительные объемы.

С увеличением размера частиц и скорости осаждения линейный закон нарушается. Возникает турбулентность при обтекании движущейся частицы жидкостью, когда помимо вязкости на движение частиц начинают оказывать влияние инерционные силы. При 2<Re<500

, (1.4)

где С_сф – коэффициент сопротивления сферических частиц.

В общем виде закон сопротивления при падении частицы в жидкости может быть представлен формулой Ньютона-Релея

, (1.5)

где С – коэффициент сопротивления, _в – плотность жидкости, d _э – диаметр частицы, определенный как равновеликий по объему шара.

Для случаев, когда частицы имеют нешарообразную форму, вводится понятие эквивалентного диаметра, который определяется как диаметр сферической частицы той же плотности, оседающей со скоростью, равной скорости движения частицы. В практике водоочистки скорость осаждения частиц (U₀) при температуре воды 10 С называют гидравлической крупностью частиц. Ее определяют опытным путем и используют при расчете аппаратов для осветления воды – отстойников. Скорость осаждения частиц неправильной формы меньше скорости осаждения сферических частиц. Это учитывается коэффициентом , равным 1-3:

. (1.6)

Величина коэффициента сопротивления С зависит от числа Рейнольдса. При рассмотрении осаждения частиц в жидкости исходят из допущения, что их движение равномерное, т.е. силы, действующие на частицу, уравновешены: сила тяжести, равная массе частиц в жидкости, и сила сопротивления. Сила тяжести F_m, или масса частицы в жидкости, может быть определена по формуле

. (1.7)

В начале осаждения движение частицы ускоренное, но с увеличением скорости падения растет сила сопротивления, и силы тяжести и сопротивления уравновешиваются:

,

откуда

. (1.8)

По приведенной скорости вычисляют значение коэффициента сопротивления при осаждении частиц. Определение коэффициента сопротивления затруднено, так как надо знать величину скорости осаждения. Последняя входит в формулу для определения величины критерия Рейнольдса, от которого зависит значение коэффициента сопротивления. Зависимость коэффициента сопротивления от Re устанавливается опытным путем и более или менее изучена для седиментации зерен песка в воде.

Приведенные формулы неприменимы для вычисления скорости осаждения агрегативно неустойчивых взвесей, так как диаметр частиц в таких системах растет по мере осаждения. Методы седиментационного анализа дают надежные результаты только для устойчивой зернистой взвеси.

Следует отметить, что применимость рассмотренных законов ограничивается дисперсностью частиц. Крупные частицы могут двигаться ускоренно, что вызывает турбулизацию потока, при этом перестает соблюдаться закон Стокса. Очень малые частицы – ультрамикрогетерогенные – осаждаются крайне медленно. Кроме того, при оценке седиментации малых частиц следует учитывать влияние на процесс осаждения механических, тепловых и других внешних воздействий. На осаждение малых частиц в жидких средах влияет их сольватация. Обычно толщина сольватных слоев составляет доли микрометра, поэтому ее учитывают для частиц размером менее 1 мкм. С учетом направленности учебного пособия в нем не обсуждены молекулярно-кинетические свойства свободнодисперсных систем, подробно рассматриваемые в учебниках по коллоидной химии.