Технология очистки сточных вод. Учебное пособие

ния надежности результатов рекомендуется использовать более трудоемкий вариант, заключающийся в том, что для каждой выбранной до-

зы (0,5 Д к ; 0,75 Д к ; 1,5 Д к ; 2,0 Д к и т.д.) проводятся серии опытов

аналогично заданию 1. Полученные результаты, иллюстрирующие зависимость эффекта осветления и относительного объема осадка от рН при различных дозах коагулянта, представляют в виде графика.

В конце работы делают заключение о том, какие дозы реагентов рекомендуются для осветления заданной сточной воды.

2. Очистка сточных вод флокуляцией

Для регулирования устойчивости коллоидных систем применяются различные высокомолекулярные вещества. Обусловлено это тем, что весьма малые добавки высокомолекулярных соединений - тысячные, а порою даже миллионные доли от массы дисперсной фазы - могут радикально изменить стабильность суспензий. Эти высокомолекулярные соединения, называемые флокулянтами, с успехом используются в различных отраслях промышленности.

Флокуляция является одним из наиболее эффективных и экономичных способов концентрирования, обогащения, обезвоживания и улучшения фильтруемости промышленных суспензий, очистки оборотных и сточных вод от дисперсных частиц.

Флокуляция - это процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении в СВ высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами. В отличие от коагуляции, при флокуляции агрегация происходит не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия молекул, адсорбированных на частицах флокулянта. Флокуляцию проводят для интенсификации процесса образования хлопьев гидроксидов металлов и повышения скорости их осаждения. Использование флокулянтов позволяет снизить дозы реагентов, уменьшить продолжительность процесса очистки СВ, повысить скорость осаждения образующихся хлопьев и подготовить осадок к обезвоживанию на различных фильтрах.

Во время флокуляции дестабилизированные коллоидные частицы (или частицы, образованные на стадии коагуляции), собираются в агрегаты. Механизм дестабилизирующего действия полимерных флокулянтов заключается в адсорбции растворенных молекул на частицах твердой фазы обрабатываемой дисперсной системы и образова-

13

нии в результате этого механической связи или, иначе, так называемых, «мостиков» между отдельными группами частиц. Возникающие при этом агрегаты твердых частиц называются флокулами, а процесс их образования – мостиковой флокуляцией.

Вид связи, возникающей при адсорбции полимерных флокулянтов на твердой поверхности, зависит от химической природы полимера, в частности, от способности его к диссоциации, и от электрического заряда боковых (функциональных) групп углеводородной цепи, образующей полимерную нить.

Образование флокул из частиц, находящихся в беспорядочном перемещении, вызванном броуновским движением и другими гидродинамическими факторами, называется перикинетической флокуляцией. Образование флокул из частиц, имеющих направленное движение, т.е. осаждающихся под влиянием сил тяжести с различной скоростью, называется ортокинетической флокуляцией.

Адсорбция полимера на частицах твердой фазы не всегда приводит к флокуляции. Необходимым условием флокуляции является адсорбция одной макромолекулы или ассоциата макромолекул на нескольких частицах с образованием хлопьев, состоящих из частиц, связанных полимерными мостиками. Основанная на этих представлениях теория флокуляции нейтральных частиц предполагает, что сначала происходит первичная адсорбция и каждая макромолекула прикрепляется несколькими сегментами к одной коллоидной частице. Адсорбированные молекулы занимают часть поверхности частиц (точнее, активных центров, на которых возможна адсорбция), а остальная поверхность остается свободной. Затем в процессе агрегации частиц полимером или при, так называемой, вторичной адсорбции свободные сегменты адсорбированных молекул закрепляются на поверхности других частиц, связывая их полимерными мостиками.

Флокулянтами называют природные или синтетические химические соединения, которые при введении в дисперсную систему могут образовывать механические связи между частицами твердой фазы и вызывать благодаря этому дестабилизацию системы. Как и все высокомолекулярные вещества, флокулянты нелетучи и не способны к перегонке. В воде полимерные флокулянты образуют истинные растворы. Флокулянты обычно делятся на неорганические (активная кремниевая кислота) и органические. Органические флокулянты в зависимости от исходного сырья, в свою очередь, делятся на природные и

14

синтетические. К природным флокулянтам относятся крахмал, декстрин, эфиры целлюлозы и др.

В зависимости от характера поведения активных групп флокулянта при диссоциации либо поляризации в воде различают флокулян- ты-полиэлектролиты (ионогенные), которые в свою очередь подразделяются на анионные, катионные и катионно-анионные полиэлектролиты, и неионные (неионогенные) флокулянты.

Анионные полиэлектролиты образуют при диссоциации полимерный органический полианион и простой катион (Na+, K+, NH4+). К анионным флокулянтам относятся полиакрилат и полиметакрилат натрия, сополимеры с малеиновой кислотой, гидролизованные полиакриламиды, сополимеры винилацетата с акриловой и метакриловой кислотами, сульфированный поливиниловый спирт, сульфированный полистирол и др.

Катионные полиэлектролиты образуют при диссоциации органический поликатион и простой анион (Сl-, SO4-2. CH3СOO-). К ним относятся винилфениловые эфиры, сополимеры их с дивиниловым эфиром гидрохинона, поливинилбензольные, полифениленовые, винилпиридиновые соединения.

Катионно-анионовые или амфотерные электролиты имеют функциональные группы кислотного и основного характера, например, карбоксильную (-СООН) и аминную (-NH2). В качестве примера можно привести белковые соединения, которые проявляют амфотерные свойства. Они являются катионами в кислой среде и анионами в щелочной, теряя заряд в изоэлектрической точке в среде, близкой к нейтральной.

К неионогенным флокулянтам относят такие водорастворимые полимеры, как полиоксиэтилен, поливиниловый спирт.

Активный диоксид кремния (хSiO2∙nH2O) является наиболее распространенным неорганическим флокулянтом. При добавлении активированного силиката увеличивается в 2-3 раза скорость осаждения хлопьев и повышается эффект осветления.

Из синтетических органических флокулянтов наибольшее применение в нашей стране получили полиакриламид технический (ПАА) и гидролизованный (ГПАА). ПАА является неионогенным флокулянтом, который при гидролизе приобретает анионактивные свойства. Такое соединение называют гидролизованным полиакриламидом (ГПАА). Производится анионоактивный полиакриламид в виде

15

геля 6-10%-ной концентрации или в виде гранул с содержанием 50-60% основного вещества.

Степень гидролиза технического ПАА, выпускаемого химической промышленностью, различна. Она может колебаться от 3% (практически негидролизованный полимер) до 13%.

На основе ПАА производят очень распространенные в настоящее время флокулянты марки «Праестол»:

-неионогенные марки представляют собой технически чистый полиакриламид, который в водном растворе нейтрален;

-анионные марки являются сополимерами акриламида с возрастающими долями акрилата, придающими полимерам в водном растворе отрицательные заряды, т. е. анионоактивный характер;

-катионные марки являются сополимерами акриламида с возрастающими долями катионных сомономеров, которые обладают в водном растворе положительными зарядами.

В последнее время на российском рынке появились флокулянты многих известных фирм, в частности: PRAESTOL (Германия), который под этой маркой производится и в России, Superfloc A-100, NALCO (США), SANFLOC (Япония) и ряд других.

При выборе состава и дозы флокулянта учитывают свойства

его макромолекул и природу диспергированных частиц. Оптимальная доза для очистки промышленных СВ колеблется в пределах 0,4-1 г/м3.

Флокулянты не изменяют рН и солесодержание очищаемой сточной воды, и их эффективность мало зависит от температуры. Все флокулянты действуют в широком диапазоне рН среды. Однако скорость осаждения сфлокулированных хлопьев при рН>9 уменьшается. Анионные реагенты более эффективны в щелочной среде, а неионные

иумеренно катионные – в кислой.

Жесткость воды относится к числу факторов, способствующих адсорбции полимеров и их флокулирующему действию. При низкой

жесткости воды (<5 0 Ж ) эффективность флокуляции снижается, т.к. мелкодисперсные и коллоидные примеси в этих условиях очень плохо реагируют с молекулами флокулянта. В таких случаях рекомендуется

повысить жесткость до значения выше 5 0 Ж . Для повышения жесткости воды можно добавить необходимое количество СаО или Са(ОН)2 в

виде суспензий (1 0 Ж =1 мг.экв/л).

16

Положительный или отрицательный заряд, приносимый флокулянтом, выбирается в зависимости от природы дестабилизированных частиц, имеющихся в воде. Как правило, это:

-анионный флокулянт для минеральных частиц (ил, глины, кремнезем, гидроксиды и соли металлов и т. д.);

-катионный флокулянт для органических частиц (гуминовые и фульвеновые кислоты, красители, поверхностно-активные вещества).

В случае загрязнения воды грубыми суспензиями и при большой концентрации агрегативно-неустойчивой взвеси флокулянт может быть применим самостоятельно, без коагулянта.

Лабораторная работа 2

Определение оптимальной дозы флокулянта пробным флокулированием

Цель работы: изучение процесса очистки сточных вод флокуляцией и определение оптимальной дозы флокулянтов для очистки производственных сточных вод.

Необходимое оборудование и реактивы:

фотоэлектроколориметр ФЭК-М; рН-метр; цилиндры мерные емкостью 0,5 л - 4 шт.;

раствор трилона Б 0,025М или 0,005 М; раствор NaOH 0,2 М;

раствор HCl 0,1 М; аммиак водный 25 %-ный;

аммиачный буферный раствор: для приготовления 500 см3 буферного раствора в мерную колбу вместимостью 500 см3 помещают 10 г хлорида аммония, добавляют 100 см3 дистиллированной воды для его растворения и 50 см3 25 %-ного водного аммиака, тщательно перемешивают и доводят до метки дистиллированной водой; сухая смесь индикатора: 0,25 г эриохрома черного Т смешивают с 50 г

хлорида натрия в фарфоровой ступке и тщательно растирают; насыщенный раствор Са(ОН)2 или СаО; раствор флокулянта, 0,1 % масс. Вид флокулянта определяет препода-

ватель в зависимости от свойств предложенной для очистки воды.

17

Ход работы

Задание 1. Определение жесткости воды комплексонометри-

ческим методом. Метод основан на образовании комплексных соединений трилона Б с ионами щелочно-земельных элементов. Определение проводят титрованием пробы раствором трилона Б при рН=10 в присутствии индикатора эриохрома черного Т. Наименьшая опреде-

ляемая жесткость воды 0,1 0 Ж .

Если исследуемая проба была подкислена для консервации или имеет кислую среду, то в аликвоту пробы добавляют 0,2 М раствор гидроксида натрия до рН=6-7. Если проба воды имеет сильнощелочную среду, то в аликвоту пробы добавляют 0,1 М раствор соляной кислоты до рН=6-7. Контроль рН проводят по универсальной индикаторной бумаге или с использованием рН-метра. Для удаления из воды карбонат и бикарбонат ионов (что характерно для подземных или бутилированных вод) после добавления к аликвоте пробы раствора соляной кислоты до рН=6-7 проводят ее кипячение или продувание воздухом, или любым инертным газом в течение не менее пяти минут для удаления углекислого газа. Критерием наличия в воде значительного количества карбонатов может служить щелочная реакция воды. Для уменьшения влияния содержащихся в воде цинка до 200 мг/дм3, алюминия, кадмия, свинца до 20 мг/дм3, железа до 5 мг/дм3, марганца, кобальта, меди, никеля до 1 мг/дм3 к аликвоте пробы до введения индикатора добавляют 2 см3 раствора сульфида натрия; для уменьшения влияния марганца до 1 мг/дм3, железа, алюминия до 20 мг/дм3, меди до 0,3 мг/дм3 добавляют от 5 до 10 капель раствора гидроксиламина гидрохлорида. Мутность (взвешенные вещества) пробы устраняют фильтрованием через бумажные обеззоленные фильтры.

В колбу вместимостью 250 см3 помещают аликвоту пробы анализируемой воды объемом 100 см3, 5 см3 аммиачного буферного раствора, от 0,05 до 0,1 г сухой смеси индикатора и титруют раствором трилона Б до изменения окраски в эквивалентной точке от виннокрасной (красно-фиолетовой) до синей (с зеленоватым оттенком). Вы-

18

где М - коэффициент пересчета, равный 2СТР ; 2СТР - концентрация раствора трилона Б, моль/л (если концентрация раствора трилона Б 0,025 моль/л, то М =0,5); F - множитель разбавления исходной пробы воды при консервировании; К - коэффициент поправки к концентрации раствора трилона Б; VТР - объем раствора трилона Б, израсхо-

дованный на титрование, см3; VПР - объем пробы воды, взятой для

анализа, см3.

Задание 2. Определение оптимальной дозы флокулянта. Сточ-

ную воду, которую осветляли в лабораторной работе 1, разливают в шесть мерных цилиндра по 500 мл. В 4, 5 и 6 цилиндры добавляют необходимое количество раствора Са(ОН)2/СаО для повышения жест-

кости воды до 5 0 Ж . Во все цилиндры добавляют 0,1 %-ный раствор флокулянта из расчета: в первый и четвертый цилиндр – 0 мл (контрольный); во второй и пятый - 0,1 мл; в третий и шестой - 0,5 мл.

Содержимое цилиндров интенсивно перемешивают стеклянной палочкой.

По окончании перемешивания палочки вынимают, цилиндры оставляют в покое на 20-30 минут и ведут наблюдение за образованием и оседанием хлопьев. После этого производят визуально измерение объемов осадка и отбирают пробы для определения цветности и рН. Результаты заносят в табл. 2.1.

Интервал времени между отбором первой и последней проб желательно сократить до минимума; после каждого отбора проб необходимо промывать пипетку дистиллированной водой.

Таблица 2.1

Определение оптической плотности проводят с синим светофильтром в тех же кюветах, которые использовались для построения градуировочной кривой (лабораторная работа 1, задание 1). Цветность анализируемых проб находят по градуировочной кривой; в случае если оптическая плотность анализируемой пробы выходит за пределы

19

калибровочного графика, для определения цветности используют экстраполяцию или производят разбавление анализируемой пробы дистиллированной водой в нужном соотношении.

Полученные результаты заносят в табл. 2.1. Строят графики зависимости эффекта осветления ( Э0 ) и относительного объема осад-

ка ( А0 ) от дозы флокулянта для исходной сточной воды и для воды, в

которой подняли жесткость. Для построения этих графиков по оси абсцисс откладывают значение рН, а по оси ординат – зависимые от

него указанные величины. Эффективность осветления ( Э0 ) определяют по формуле (1.6), относительный объем осадка ( А0 ) – по (1.7.).

Проводят его анализ.

В результате проведенного исследования делают заключение о том, какие дозы реагентов рекомендуются для осветления сточной воды.

3. Очистка сточных вод методом ионообмена

Для очистки сточных вод промышленных предприятий применяют ионообменный способ, который следует считать одним из перспективных, поскольку способность ионитов к регенерации обеспечивает возможность их многократного использования, а высокая емкость поглощения позволяет создавать сравнительно компактные установки.

Ионитами называют вещества, способные в эквивалентных количествах обменивать свои ионы на ионы, содержащиеся в растворе. В зависимости от знака заряда обменивающихся ионов иониты делятся на катиониты, аниониты и амфолиты. Катиониты обмениваются с растворами катионами, аниониты – анионами, а амфолиты в зависимости от условий могут обмениваться либо катионами, либо анионами. Реакция ионного обмена между ионитом и раствором возможна потому, что ионы в ионите находятся в диссоциированном состоянии.

Ионный обмен, протекающий между ионитами и растворами электролитов, обусловливается в основном электростатическими силами. Ионообмен возможен благодаря наличию в высокомолекулярном каркасе ионита активных (ионогенных) групп, обладающих электроотрицательными или электроположительными зарядами и придающих иониту кислотный или щелочной характер. Активные группы связаны ионной связью с подвижными группами противоположного знака, способными к обмену с ионами раствора электролита. Иониты

20