Очищення рідин від колоїдно-дисперсних речовин

Стічні води, що містять дрібнодисперсні часточки розміром від 10^-9 до 10^-4 м, утворюють колоїдно-дисперсну систему. За розміром часточок (ступенем дисперсності) дисперсні системи поділяють на грубо- і тонкодисперсні. У грубо-дисперсних системах (зависі, суспензії, емульсії) часточки мають розмір понад 0,1 мкм, осідають або спливають у гравітаційному полі, не проникають крізь паперові фільтри і видимі в оптичному мікроскопі. Тонкодисперсні колоїдні розчини (золі) містять часточки завбільшки 10^-7...10^-9 м, які проникають крізь звичайні фільтри, але затримуються ультрафільтром (пергамент, целофан), практично не осідають і невидимі в оптичному мікроскопі.

Стійкість дисперсних систем залежить від їх властивостей загалом, а також від властивостей дисперсійного середовища і дисперсної фази. Властивості дисперсійного середовища визначаються вмістом розчинених солей, газів, органічних поверхнево-активних та інших речовин, а також кислотністю, лужністю, твердістю, густиною, в'язкістю, поверхневим натягом тощо. Властивості дисперсної фази визначаються розміром і формою часточок, хімічним і мінералогічним складом, щільністю, пористістю, іонообмінною ємністю, зарядом поверхні часточок, адсорбційними властивостями тощо. Ці властивості залежать від складу перероблюваної сировини і реагентів, параметрів технологічних процесів та інших чинників.

Для рідин, що утворюють колоїдно-дисперсну систему, потрібно здійснити розділення рідкої і твердої фаз з метою виділення завислих речовин. При цьому внаслідок малого розміру часточок дисперсної фази, а також високої агрегативної і седиментаційної стійкості системи виникають значні ускладнення. Інтенсифікувати процес розділення можна за рахунок укрупнення часточок в агрегати під дією коагулянтів, флокулянтів та їх сумішей.

Низькомолекулярні неорганічні або органічні електроліти, що спричинюють агрегацію часточок, називають коагуляторами. Як коагулятори можна використовувати коагулянти і флокулянти. Коагулянти –солі, що гідролізуються, наприклад, сульфати або галогеніди багатозарядних катіонів, переважно Алюмінію і Феруму, рідше Титану та інших металів. Флокулянти – неорганічні та органічні високомолекулярні сполуки, що сприяють утворенню агрегатів за рахунок об'єднання декількох часточок через макромолекули адсорбованого або хімічно зв'язаного полімеру. Отже, суть процесу коагуляційного очищення стічних вод від колоїдно-дисперсних речовин полягає в зниженні стійкості дисперсних систем за допомогою агрегування часточок дисперсної фази під дією коагуляторів (коагулянтів і флокулянтів) з подальшим відокремленням агрегованих часточок відстоюванням, фільтруванням, центрифугуванням та іншими методами.

Механізм очищення води коагулянтами

Як коагулянти використовують переважно солі Алюмінію та Феруму. Одним із найпоширеніших коагулянтів є сульфат алюмінію. Ця сіль утворена багатозарядним катіоном слабкого лугу і аніоном сильної кислоти, ступінчаста гідролізується з утворенням гідроксокомплексів

За достатньо високої концентрації гідроксид-іонів сульфат алюмінію гідролізується безпосередньо до АІ(ОН)₃ зі структурою гідраргіліту. При цьому в нерівноважному розчині, яким є очищувана вода, неодмінно міститимуться також мономерні та димерні аквагідроксокомплекси алюмінію, що утворюються ще на стадії приготування робочих розчинів. Ці комплекси хемосорбуються на поверхні часточок гідроксиду алюмінію, надаючи останнім відповідного заряду. Тому в дисперсній системі можуть міститися часточки, що характеризуються різними дисперсністю і величиною заряду. В результаті гідролізу їхня поверхня втрачає електричний заряд, що сприяє коагуляції. Зменшити електричний заряд можна введенням у дисперсну систему протилежно заряджених електролітів, колоїдів або флокулянтів. Позитивно заряджені часточки колоїдів можуть адсорбуватися безпосередньо на негативно заряджених часточках осаджуваних домішок, в результаті чого відбувається гетерокоагуляція.

Міцели коагулюють спонтанно в усьому об'ємі дисперсної системи за механізмом розгалуженого ланцюга з утворенням агрегатів переважно за рахунок міжмолекулярних сил Ван-дер-Ваальса за принципом бімолекулярної реакції. Взаємодія міцел відбувається в зоні швидкої коагуляції, коли всі часточки, що перебувають у броунівському русі, при зближенні злипаються.

Як було зазначено вище, між дисперсними часточками діють сили притягання і відштовхування. При введенні сульфату алюмінію в розчин за умов достатньо високих значень a (великий лужний резерв) сили відштовхування слабшають, а потім повністю зникають. Міцели астабілізованого золю, перебуваючи на близькій відстані або зближуючись у результаті броунівського зуху на досить близьку відстань, під дією вандерваальсових сил міжмолекулярного притягання і наступної гідролітичної взаємодії сполучаються водневим зв'язком у кулясті агрегати золю завбільшки порядку 20 нм. На їх поверхні розміщені заряджені поліядерні аквагідроксокомплекси алюмінію – активні центри поверхні. Позитивний заряд цих комплексів компенсується поотиіонами , якщо останні не сполучені з іншими йонами, що мають з ними більшу хімічну спорідненість.

Внаслідок наявності на поверхні часточок заряджених алюмінієвих аквагідроксокомплексів виникають електростатичні сили відштовхування, що мають стабілізуючу дію. Стабілізації дисперсної системи також сприяють гідрати оболонки навколо часточок. У разі віддаляння часточок на значну відстань порівняно з їх розмірами між ними не відбувається притягання або відштовхування. В результаті броунівського руху позитивно заряджені часточки зближуються, і виникають електростатичні сили відштовхування, що додаються до сил молекулярного притягання. Зі зменшенням відстані між часточкам, результативна дія цих протилежних сил призводить до превалювання сиг відштовхування. У разі подальшого зближення сили відштовхування зменшуються, і починають переважати сили притягання. Для того щоб відбулася коагуляція, часточки повинні подолати сили відштовхування (енергетичний бар'єр), що може відбутися за достатньо високої енергії руху часточок або зниження висоти бар'єра. Чим вищий цей бар'єр і менша енергія руху часточок тим менша вірогідність їх злипання і тим повільніше відбувається процес коагуляції (в'яла коагуляція) або вона зовсім припиняється. Зі зменшенням величини електричного заряду або в разі його відсутності, а також з підвищенням енергії руху часточок сили відштовхування зменшуються, і процес коагуляції інтенсифікується.

У міру зниження температури очищуваної води значно підвищується в'язкість дисперсійного середовища і зменшується ступінь гідролізу сульфату алюмінію. Так, при зниженні температури води від 30 до 0°С в'язкість води збільшується в 2,2 раза, що спричинює відповідно зменшення інтенсивності броунівського руху і, як результат, – швидкості коагуляції. Саме це і спостерігається в практиці очищення води з використанням сульфату алюмінію взимку, коли температура води знижується до 4 °С. Через малу кінетичну енергію кулястих агрегатів утворюються слабкі пухкі пластівці. У цьому разі для поліпшення процесу коагуляціиного очищення води застосовують досить високі дози сульфату алюмінію або його дрібне дозування при одночасному збільшенні лужного резерву (підлужування), що сприяє підвищенню ступеня гідролізу і концентрації часточок.

Утворені в процесі гідролізу сульфату алюмінію позитивно заряджені поліядерні аквагідроксокомплекси – міцели і більші кулясті агрегати золю, а також і менш полімеризовані аквагідроксокомплекси хемосорбуються на поверхні глинистих або інших мінеральних часточок очищуваної води. При цьому відбувається їх взаємодія з гідратною оболонкою глинистої часточки за участю водневого зв'язку й одночасно компенсується заряд. У результаті часточки зависі вкриваються щільним шаром часточок гідроксиду алюмінію. Отже, завислі речовини (скаламутнювачі) очищуваної води відіграють роль поверхні, яка "провокує" перші етапи адсорбційно - коагуляційної взаємодії і сприяє утворенню щільних агрегованих структур. Завдяки великій кількості центрів коагуляції структура утворюється менш розгалуженою і більш щільною.

Отже, весь процес прояснення води, починаючи з утворення міцел (перших цеглинок структури пластівців) і закінчуючи їх осадженням, умовно можна поділити на кілька етапів). На першому етапі, після введення коагулянту в очищувану воду, відбувається його гідроліз з утворенням міцел і подальшим їх агрегуванням у більші кулясті часточки золю (10–100 нм). З'являється опалесценція, це так звана стадія прихованої коагуляції. Потім настає період побудови ланцюгових структур і утворення величезної кількості найдрібніших пластівців, що агрегуються в більші, і, досягнувши певних розмірів, під дією сили гравітації осідають – стадія седиментації. Насправді ці етапи не йдуть чітко один за одним, а перекриваються, ускладнюючи процес прояснення.

У процесі очищення води із завислих мінеральних речовин і особливо забарвлених (гумус та інші органічні речовини) найважливішу роль відіграють первинні часточки – міцели і більші кулясті часточки, що характеризуються високою поверхневою енергією. Процес знебарвлення переважно відбувається на стадії формування кулястих агрегатів, а прояснення – на стадії побудови ланцюгових структур.

Утворені великі пластівці в процесі очищення води швидко осідають. Тому первинні найдрібніші часточки золю гідроксиді алюмінію, відігравши свою основну роль в очищенні води – сорбції домішок, об'єднуються великі пластівці і швидко осідають. Для підвищення ефективності очищення води від колоїдно-завислих речовин необхідно забезпечити найсприятливіші умови для гідролізу сульфату алюмінію, максимальну швидкість утворення міцел і первинних агрегатів золю на першому етапі, а також максимальну швидкість утворення достатньо великих пластівців, що швидко осідають, на наступном. етапі.

Для швидкого осадження пластівців у відстійниках вони повинні мати розміри близько 0,003-0,007 м і велику щільність.