3. Доза коагулянта.

Доза коагулянта – количество введенного в воду коагулянта (мг/л, мг-экв/л, г/м³ или г-экв/м³).

Оптимальная доза ‑ минимальная концентрация коагулянта, отвечающая наилучшему осветлению или обесцвечиванию воды. Отклонение от оптимальной дозы приводит к перерасходу коагулянта или к ухудшению качества воды.

Для ориентировочных расчетов дозу коагулянтов принимают по СНиП 2.04.02-84*. Для безводных Аl₂ (SO₄)₃, FeSO₄ и FeCl₃ при обработке природных мутных вод она колеблется от 25 до 125 мг/л. При обработке воды с повышенной цветностью доза коагулянта рассчитывается по формуле

(1)

где Д_к — доза коагулянта, мг/л; Ц — цветность воды, в градусах по платиново-кобальтовой шкале, град.

При низкой щелочности воды ее предварительно подщелачивают известью или содой, чтобы обеспечить образование гидроксидов. Дозу подщелачивающего агента подсчитывают по формуле

, мг/л (2)

где Щ —щелочность исходной воды, мг-экв/л;

е_щ – эквивалентный вес реагента для подщелачивания, равный 28 для СаО и 53 для Na₂CO₃;

е_к – эквивалентный вес коагулянта;

Д_к – доза коагулянта, мг/л.

Если по формуле Д_щ получается отрицательной, то, очевидно, щелочность воды достаточна и предварительная обработка не требуется.

Кроме перечисленных коагулянтов с успехом применяют также оксихлорид алюминия [Аl₂ (ОН)₅]Сl₆ Н₂О и алюминат натрия NaAlO₂, а также получаемый электролитическим путем хлорид или сульфат алюминия.

Коагуляция зависит от:

1. температуры. При низкой Т скорость образования хлопьев замедляется, их размер и структура получаются неудовлетворительными;

2. перемешивания. При перемешивании ускоряется рост частиц из-за увеличения числа эффективных столкновений. Однако, сильное перемешивание механически разрушает хлопья.

3. мутности воды. В мутных водах (с частицами тонкого ила менее 3 мкм) хлопья образуются быстрее и лучше, чем в прозрачных. Для ускорения процесса в камеры хлопьеобразования вводят суспензию глины или осадок из отстойников. Осадки, введенные в качестве затравок, являются своеобразными центрами агрегации, а также поглощают ионы, придающие устойчивость коллоидным частицам.

Для ускорения осаждения хлопьев необходимо их укрупнение, что достигается использованием флокулянтов. Их вводят после коагулянта.

По Ла Меру, флокулянты – вещества, обусловливающие агрегацию частиц в результате химического взаимодействия, в отличие от коагулянтов, воздействующих на электрокинетический потенциал.

По Вейцеру, флокулянты – высокомолекулярные вещества, образующие с находящимися в воде грубодисперсными и коллоидными частицами трехмерные структуры (агрегаты, хлопья, комплексы) независимо от того, за счет каких сил это происходит.

4. Флокулянты

Флокулянты – реагенты, образующие флокулы. Молекулярная масса флокулянтов находится в пределах от десятков тысяч до нескольких миллионов; длина цепочки из повторяющихся звеньев достигает сотни тысяч ангстрем. Высокомолекулярные флокулянты подразделяют на три группы: неорганические вещества (активная кремниевая кислота); вещества, полученные из растительного сырья (крахмал и флокулянты на его основе (декстрин, аминированный крахмал), альгинат натрия, КМЦ); синтетические органические полимеры (ПАА, ВА-2).

Флокулы – рыхлые хлопья.

В зависимости от происхождения выделяют:

1) Неорганические флокулянты.

Из неорганических флокулянтов чаще всего применяют активированный кремниевая кислота (H₂SiO₃)₄. Растворы кремниевой кислоты нестабильны, и поэтому их готовят непосредственно перед использованием. Получение:

1. нейтрализация жидкого стекла с образованием метакремниевой кислоты:

Na₂SiO₃ + H₂SO₄  H₂SiO₃ + Na₂SO₄

2. гидролиз:

H₂SiO₃ +HOH  Si(OH)₄

3. конденсация кремниевой кислоты (дегидратация с образованием силоксановых связей):

2 Si(OH)₄  SiOSi(OH)₆ + HOH

2) органические флокулянты.

Органические флокулянты на основе природных соединений – альгинат натрия, крахмал, карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ).

Синтетические органические флокулянты ‑ полиакриламид (ПАА), полифункциональные полимеры амфотерного типа К-4 и К-6, катионный флокулянт ВА-2.

Полиакриламид — сополимер амида и акриловой кислоты с молярной массой до 30 млн.

Полиакриламиды, гидролизованные содой, проявляют анионные свойства и имеют формулу:

Флокулянты типа К— сополимеры акриламида, акрилонитрила и акрилатов ‑ это продукты обработки полиакрилнитрила едким натром (К-4) или моносиликатом натрия (К-6). Обработка ведется при температуре 90—95 °С в течение 1,5 — 2ч. При обработке полиакрилнитрила

в составе полимера оказываются карбоксильные, аминные и другие группы, обусловливающие амфотерный характер полиэлектролита.

Катионные полиэлектролиты имеют положительный заряд благодаря наличию аминных, иминных или аммониевых групп:

Эти полиэлектролиты вследствие их положительного заряда могут использоваться и в качестве коагулянтов. Именно так применяют отечественный реагент ВА-2.

ВА-2 – это четвертичная аммониевая соль на основе поливинилтолуола, диссоциирующая в воде с образованием активного катиона.

Рис. 3. Сорбция флокулянтом ПАА частиц загрязнений. [2, С. 133; 3, С. 627] а, б – адсорбция линейной и глобулярной молекул ПАА на хлопьях коагулята; в – при недостатке ПАА; г – при избытке ПАА; д – при оптимальном соотношении ПАА и коагулята; е – при условии, что размеры хлопьев коагулята превышают размеры макромолекул ПАА; 1 – частицы суспензии; 2 – адсорбирующийся сегмент; 3 – внутримолекулярная связь; 4 – молекулы органического флокулянта.

Степень полимеризации высокомолекулярных флокулянтов составляет от 1000 до 5000 звеньев, поэтому количество активных центров, способных к адсорбции, очень велико. Процесс флокуляции включает три стадии:

1. Адсорбция макромолекулы флокулянта или ассоциатов из них на частицах дисперсной фазы. При этом на каждой частице адсорбируется не вся макромолекула, а часть ее сегментов, размер которых на несколько порядков меньше размера самой частицы. Адсорбция может быть обусловлена межмолекулярными силами (вандерваальсовы, водородные связи), а также химическими – ионные, ковалентные связи.

2. Образование мостикоподобной структуры. Если адсорбция макромолекулы на поверхности частицы не сопровождается образованием мостиковых связей, то происходит стабилизация системы (явление защиты).

3. Непосредственная флокуляция, т.е. образование крупных агрегатов. Свободные сегменты адсорбированных молекул флокулянта закрепляются на других частицах, объединяя их полимерными мостиками. Макромолекулы флокулянта связывают большое количество скоагулировавших частиц, взаимодействуют друг с другом, образуя крупные быстрорастущие хлопья.

Дозы флокулянтов, требуемые для удовлетворительного осаждения, очень малы — обычно менее 1 мг/л; если же реагент используется в роли не только флокулянта, но и собственно коагулянта, то дозы повышаются. Процесс флокуляции идет с большой скоростью и практически завершается во время смешения коллоидного раствора или суспензии с флокулянтом.

Выделение взвешенных веществ из сточных вод обычно осуществляется безреагентным путем, по крайней мере, на первых стадиях их обработки. Однако в последние годы была разработана схема физико-химической очистки городских сточных вод, когда уже на первой стадии обработки к воде добавляют реагенты — сульфат алюминия или хлорное железо и известь, после чего смесь направляют в первичные отстойники для отделения взвешенных частиц от воды. В этом случае происходит несколько процессов — коагуляция, флокуляция, соосаждение, сорбция примесей. Дозы реагентов в несколько раз выше, чем требуемые для обработки природных вод.

При очистке производственных сточных вод большой интерес представляет применение в качестве коагулянтов отходов производства — шламов и отработанных растворов. Так, при производстве этилбензола в качестве отхода получается хлорид алюминия, при травлении металлов — сульфат двухвалентного железа и т. д.

Дополнения к лекции

Коллоидные частицы имеют сложное строение. Они состоят из ядер и адсорбированных и притянутых ионов. Рассмотрим строение коллоидной частицы кремниевой кислоты, которая образовалась в результате взаимодействия очень разбавленных растворов силиката натрия и соляной кислоты (Na2Si03 + 2HCl = H2Si03 + 2NaCl). Если Na2Si03 находится в избытке, то кремниевая кислота не выпадает в осадок, а образуется прозрачный коллоидный раствор H₂Si0₃. Ядро коллоидной частицы нейтрально, оно состоит из m молекул H₂Si0₃. На поверхности ядра адсорбируются n ионов Si0₃^2- , это потенциалопределяющие ионы, так как они обуславливают заряд частицы коллоидного раствора.

Адсорбированные потенциалопределяющие ионы притягивают из раствора ионы противоположного знака — противоионы. В данном случае это ионы Na⁺, причем часть их 2(n - х) адсорбируется на частице. Адсорбированные ионы Si0₃^2- вместе с противоионами Na⁺ образуют адсорбционный слой. Другая часть противоионов 2xNa⁺ находится в жидкой фазе и образует подвижный диффузный слой.

Ядро вместе с адсорбционным слоем называется гранулой.

В нашем примере гранула заряжена отрицательно, так как адсорбция ионов Si0₃^2- происходит сильнее, чем ионов Na^-.

Коллоидная частица вместе с противоионами диффузионного слоя называется мицеллой. Это отдельная частица коллоидного раствора.