Процесс протекания флокуляции
Механизм действия флокулянтов основан на следующих явлениях: адсорбция молекул флокулянта на поверхности коагулируемых частиц; ретикуляция (образование сетчатой структуры) молекул флокулянта; слипание частиц за счет сил Ван-дер-Ваальса. При действии флокулянтов между частицами образуются трехмерные структуры, способные к более полному отделению жидкой фазы. Причиной образования таких структур является адсорбция макромолекул флокулянта на нескольких частицах с образованием между ними полимерных мостиков [1], как показано на рисунке 1.2.
Рисунок 1.2 – Структура флокуляции
1 – функциональные группы флокулянтов;
2 – коллоидная частица;
3 – макромолекула флокулянта.
Согласно мостиковой модели, флокуляция состоит, во-первых, в закреплении концов макромолекул на поверхности частиц, и, во-вторых, в адсорбции простертых в глубину раствора сегментов молекул на вакантных участках соседних частиц. Адсорбционное закрепление макромолекул на твердых поверхностях характеризуется следующими закономерностями:
1) оптимальные условия флокуляции достигаются при дозах реагентов, обеспечивающих покрытие доступных участков поверхности твердых частиц;
2) пересыщение поверхности частиц макромолекулами приводит к ухудшению флокуляции, поскольку в этом случае свободные концы макромолекул могут адсорбироваться на той же поверхности, образуя петли, а число мостиковых связей между соседними частицами при этом уменьшается;
3) между оптимальной дозой флокулянта и площадью, доступной для адсорбции поверхности частиц дисперсной фазы, существует линейная зависимость;
4) катионные флокулянты адсорбируются преимущественно на отрицательно заряженных частицах, а анионные – на положительно заряженных. Неионогенные флокулянты адсорбируются преимущественно на незаряженных участках поверхности своими гидрофобными участками [9].
Применение флокулянтов
Одним из существенных факторов интенсификации процессов очистки воды от коллоидно-дисперсных веществ является применение флокулянтов. В осветлителях со взвешенным осадком флокулянты способствуют увеличению содержания частиц во взвешенном слое и уменьшению выноса взвесей и фильтрата (очищаемой воды), увеличивается скорость фильтрования, сокращается расход воды на промывку, повышается грузеёмкость фильтров, а также увеличивается производительность отстойников, осветлителей, фильтров, центрифуг и другого оборудования, используемого для разделения жидкой и твердой фаз.
Скорость и эффективность флокуляции зависит от содержания взвешенных частиц и свойств их поверхности, наличия растворенных примесей в очищаемой воде, перемешивания и дозы реагентов.
Интенсивность и продолжительность перемешивания оказывают большое влияние на размеры и плотность образующихся хлопьев, а также эффективность процесса в целом. Перемешивание способствует более равномерному распределению в объеме обрабатываемой воды макромолекул полимера, а также прикреплению большего числа сегментов полимера к большему числу частиц, сокращению длины полимерных мостиков и разрушению агрегатов с укороченными мостиками. Поэтому скорость перемешивания должна быть такой, чтобы образовывались крупные и прочные хлопья, исключая их разрушение.
Важное значение имеет доза флокулянта. При малых или больших количествах полимера может наблюдаться стабилизация дисперсной системы. При избыточном количестве флокулянта образуется сетка ассоциированных молекул полимера, препятствующая сближению и агрегации частиц. Доза флокулянта зависит от количества и состава загрязнений в воде, природы полимера и его свойств, а также от требований к очищаемой воде.
С повышением молекулярной массы полимера образуются более крупные агрегаты, однако при этом увеличиваются стерические затруднения. Поэтому эффективная флокуляция наблюдается при оптимальном соотношении размеров частиц и макромолекул полимера. На эффективность действия флокулянтов оказывает влияние величина рН. Оптимальное значение рН зависит от природы флокулянта. Температура в интервале 0 – 30оС оказывает не значительное влияние на флокуляцию.
Важной особенностью технологии применения флокулянтов является приготовление и дозирование рабочих растворов. Флокулянты производятся в виде порошков, гелей и высоковязких жидкостей. На них готовят рабочие растворы, концентрация которых определяется дозой реагента, его суточным расходом и производительностью очистной установки. Обычно приготовляют 0,25 – 1%-ные растворы, которые во время дозирования разбавляют до 0,02 – 0,1%-ных. Во время хранения рабочих разбавленных растворов флокулянтов может происходить деструкция макромолекул и образование ассоциатов, что ухудшает флокулирующие свойства полимера.
Эффективность применения флокулянтов зависит от условий и места введения их в дисперсионную среду. При этом должно обеспечиваться быстрое и равномерное смешение полимера с обрабатываемой водой с образованием прочных и крупных хлопьев, легко отделяемых от воды. Для равномерного и быстрого распределения флокулянтов используют разбавленные 0,01 – 0,02%-ные растворы, которые вводят рассредоточено по всему объему при интенсивном перемешивании, предотвращая возможность деструкции полимеров. При осветлении во взвешенном слое и фильтровании через пористую загрузку вода поступает вместе с флокулянтом и хлопья образуются в самих аппаратах [13].