Промышленные системы водоснабжения и водоотведения. Ресурсосберегаю

Ступенчатый протолиз фосфатов протекает соответственно до следующих анионов:

H3PO4 + HOH = H3O+ + H2PO4–,

H2PO4– + HOH = H3O+ + HPO42–,

H3PO42– + HOH = H3O+ + HPO43–.

Сумма гидроксил-ионов и анионов слабых кислот определяет общую щелочность раствора. Щелочность может служить основной характеристикой моечных вод. В СМС различных рецептур соотношение отдельных составляющих может меняться, однако качественное состояние системы в целом одинаково.

На рис. 3.1, 3.2 даны области существования карбонатных соединений. Показано влияние активной реакции среды на формы протолитического существования фосфатов и карбонатов натрия. Активная реакция среды (рН) относится к одной из универсальных характеристик СМС-содержащих сточных вод. Известно, что рН для основных СМС смесей электролитов

{Na2CO3 – Na2SO3 9 H2O} колеблется от 12,3 до 11,4; для тройных смесей {Na2CO3 – H3PO4 12H2O}, {Na2SiO3 – H3PO4 9H2O}

значение рН составляет 11,4–12,3. Частицы в загрязненных водах стабилизированы CO32– -; H PO42–-; PO43–-; OH–- ионами.

Изменение рН среды приводит к смещению протолитического равновесия. В практике очистки вод часто прибегают к их кислотной обработке. Процесс именуют нейтрализацией. Нейтрализация является частным случаем протолитических переходов и характеризуется тем, что заканчивается в нейтральных или близких к ним средах. Диапазон активной реакции среды процесса кислотной дестабилизации раствора значительно шире, поэтому в дальнейшем процесс закисления мы будем именовать кислотной обработкой раствора.

Между щелочностью воды, ее кислотностью и значением рН существует зависимость, определяемая константами протолиза (диссоциации). Зная определенное значение рН раствора, можно по величине констант рассчитать соотношение между формами существования соединений.

61

вуют нулевым значениям концентраций ионов диссоциации ионов I и II ступеней угольной кислоты. Таким образом, области различной устойчивости эмульсии можно ограничить следующими интервалами:

рН ≥ 8,4 − зона повышенной стабилизации эмульсии; 8,4 > рН > 4,3 − зона умеренной стабилизации эмульсии; рН<4,3 − зона стабилизации обратных эмульсий.

Электролитическое состояние моечных вод в значительной степени определяет эффективность отделения эмульгированного суспендированного загрязнения. В чем причина такого влияния? Загрязненные моечные воды имеют свойства концентрированных эмульсий. Устойчивость таких систем зависит от стабилизатора эмульсии, его вида, концентрации. Изменение устойчивости системы в целом снижает устойчивость масляных «капель». В растворе происходят реакции и взаимодействия, описанные выше. При разработке технологии очистки надо иметь в виду, что мы имеем дело не с чистыми, а загрязненными растворами. Поэтому результаты взаимодействия будут несколько отличаться, хотя в целом общий ход будет таким же.

Для того чтобы определить влияние степени закисления моечных вод на эффективность очистки, выполняют ряд исследований. Загрязненные моечные воды предварительно отстаивают, затем фильтруют. В полученный таким образом раствор добавляют кислоту. После этого раствор снова фильтруют. Чем больше кислоты добавлено в раствор, тем лучше он очищается при фильтровании. Для того чтобы оценить это влияние на процесс дестабилизации раствора, в ходе эксперимента определяют следующие величины: щелочность карбонатную, щелочность бикарбонатную, показатель рН и остаточное содержание масла в растворе. Примеры результатов испытаний приведены на рис. 3.3.

63

кислот приводит к изменению реологических свойств защитной оболочки частиц, т.е. к снижению ее прочности благодаря изменению равновесия сил на границе раздела фаз. При этом преобладание олеофильных сил, действующих на углеводородный радикал ПАВ, приводит к полному или частичному втягиванию таких молекул внутрь масляной капли. По мнению профессора В.В. Пушкарева, неионогенные ПАВ являются исполнительным элементом условий дисперсной среды, состояние которой определяется состоянием электролитов. Поэтому устойчивость системы, определяющая эффективность очистки, определяется в первую очередь состоянием электролитических компонентов моечных средств.

3.2. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ

ЧАСТИЦ ЗАГРЯЗНЕНИЙ К КОАЛЕСЦЕНЦИИ

ПРИ ЦЕНТРИФУГИРОВАНИИ

Для выяснения механизма процессов разделения эмульсии загрязненный раствор помещают в поле центробежных сил, а затем с помощью микрофотосъемки изучают результаты сепарирования. Сепарирование проводят в диапазоне скоростей от 3000 до 16 000 1/мин. Время цикла составляло от 5 до 15 мин. Возможно снижение концентрации масла до 200−600 мг/дм3 при исходных значениях от 1000 до 3000 мг/дм3. Результатом действия центростремительных сил является сгущение эмульгированного загрязнения. При встряхивании частицы легко разгоняются и эмульсия восстанавливает свои свойства. Микрофотоанализ (рис. 3.4) показал, что основной размер частиц в фугате составляет 1−2 мкм. Исследование диспергированных загрязнений моечных вод с помощью микрофотосъёмки подтвердило их высокую устойчивость к коалесценции.

65

ГЛАВА 4. МЕТОДЫ СЕЛЕКТИВНОЙ ОЧИСТКИ ЗАГРЯЗНЕННЫХ МОЕЧНЫХ ВОД

4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ ОЧИСТКИ

ЗАГРЯЗНЕННЫХ МОЕЧНЫХ ВОД

Известные методы очистки исследуемых вод представляют различные сочетания способов разрушения структуры дисперсной системы и способов отделения дестабилизированного загрязнения. Классификация способов очистки загрязненных моечных вод представлена в табл. 4.1.

Т а б л и ц а 4 . 1

Классификация способов очистки загрязненных моечных вод

Главной особенностью процессов очистки оборотных вод является их селективный характер, т.е. избирательная направленность на отдельные ингредиенты загрязнения. Удаление отдельных составляющих общего загрязнения ведут в присутствии

67

других или используют некоторые ингредиенты для повышения эффективности очистки воды в целом. Это положение является одним из центральных в исследованиях, посвященных совершенствованию оборотных систем промышленного водоснабжения в части очистки сточных вод, и требует детального рассмотрения.

4.2. СЕЛЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ

ЗАГРЯЗНЕННЫХ МОЕЧНЫХ ВОД, СОДЕРЖАЩИХ

СИНТЕТИЧЕСКИЕ МОЮЩИЕ СРЕДСТВА

Синтетические моющие средства выполняют роль стабилизатора системы при моечном процессе, удерживая отмытые загрязнения в объеме очищающей среды и препятствуя повторному загрязнению поверхностей. Эти положительные свойства при технологическом процессе совершенно негативно отражаются на ходе очистки загрязненных моечных вод. Возникает необходимость оптимального решения задачи совмещения двух антагонистических функций очищающей среды. Разработка селективных методов очистки загрязненных оборотных вод предусматривает выявление общих закономерностей подходов построения технологических приёмов обработки воды. Что касается очистки сточных вод, содержащих синтетические моющие средства, то этот вопрос будетрассмотрен впоследующих разделах.

4.2.1. Гравитационное и центробежное разделение

Отстаивание как способ очистки воды относится к наиболее распространенным. Практически редкая технологическая схема не имеет устройств для отделения загрязнений отстаиванием. Это обусловлено высокой эффективностью действия гравитационных сил и, главное, отсутствием энергетических затрат и специальных устройств. Емкости моечных вод одновременно выполняют роль отстойников. Несмотря на внешнюю простоту процесса очистки загрязненных моечных вод методом отстаивания, он имеет свои особенности, требующие дополнительного

68

изучения. Чтобы описать реальную картину расслоения загрязненных моечных вод, необходимо обратиться к физико-хими- ческим свойствам синтетических моющих средств и составу загрязнений, активно насыщающих раствор по мере его использования. Водный раствор СМС содержит: кальцинированную соду, силикаты и фосфаты натрия, поверхностно-активные вещества. Достаточно подробно на рецептурах СМС мы останавливались в предыдущих главах. Таким образом, раствор насыщен веществами, придающими ему свойства истинных и коллоидных растворов. Последнее свойство очень важно, так как существенно влияет на процессы отстаивания, фильтрования и т.п. Частицы загрязнений состоят из минеральных и органических веществ. По своим гидравлическим характеристикам частицы бывают двух видов: всплывающие и оседающие. Оседающие − это преимущественно минеральные взвеси (песок, глина и т.п.). Всплывающие − это масла и их производные. Влияние обоих процессов друг на друга несомненно, как и то, что происходит взаимное обогащение минеральной и органической части загрязнения. Теперь, если учесть, что разделение идет в растворе в присутствии поверхностно-активных и коллоидных веществ, картина отстаивания резко усложняется. Такой процесс описать классическими зависимостями отстаивания весьма затруднительно.

В высококонцентрированных эмульсиях-суспензиях между частицами происходят столкновения, во много раз снижающие скорость осаждения или всплывания. Такие явления наблюдаются при отстаивании нестабильных или малостабильных эмульсий-суспензий. Ход периодического процесса отстаивания представлен на рис. 4.1.

Масла всплывают на поверхность воды и в некоторый «критический» момент времени сливаются. Критическое время τ кр, при котором исчезает эмульсия и остается только всплывший слой масла, зависит от концентрации и дисперсности эмульсии, а также от высоты ее слоя lо. Для очень разбавленных эмульсий критическое время τ кр наступает значительно быстрее,

69

чем для концентрированных эмульсий при той же начальной высоте уровня lо. Картина существенно осложняется, если наряду с частицами плотностью менее единицы в системе имеются взвеси с большей плотностью. Такая многокомпонентная система в водной среде расслаивается на верхний, наиболее легкий продукт, и нижний, выпадающий в осадок на дно сосуда. В этом случае процесс расслоения замедляется из-за встречных потоков легких масляных и тяжелых минеральных частиц, слипания их между собой в агрегаты, плотность которых может быть близка к плотности системы. Это приводит к образованию слоя, состоящего из масел и минеральных взвесей, плавающего под слоем всплывшего масла. Кроме того, мелкие частицы, имеющие большую плотность, могут быть сорбированы на крупных частицах малой плотности и увлекаться (флотироваться) в верхний слой, и, наоборот, часть масляных фракций может оказаться в выпавшем на дно осадке.

Рис. 4.1. Ход процесса расслоения многокомпонентной системы: а – « масло – вода»; б – « масло – взвесь – вода»

70