- •Учебно-методические разработки для самостоятельной работы студентов по курсу «Теоретические основы защиты окружающей среды»
- •Часть I
- •Обезвоживание и методы очистки сточных вод
- •Введение
- •Глава 1. Основные законы термодинамики. Понятие энтропии как функции обесценивания энергии и стремления системы к хаосу
- •1.1 Понятие «энтропия». Принцип существования и возрастания энтропии
- •1.2. Энергоэнтропийная концепция аварийности и травматизма
- •1.3. Воздействие промышленного производства на природу. Ресурсосберегающая технология. Материальный баланс производства
- •1.4. Классификация основных процессов
- •1.5. Общие принципы анализа и расчета процессов и аппаратов
- •1.5.1. Материальный баланс
- •1.5.2. Энергетический баланс
- •1.5.3. Интенсивность процессов и аппаратов
- •1.5.4. Определение основных размеров аппаратов
- •1.5.5. Моделирование и оптимизация процессов и аппаратов
- •Контрольные вопросы
- •Глава 2. Классификация двухфазных систем
- •2.1. Методы обезвоживания
- •2.2. Формы связи воды с твердым телом. Энергия связи различных форм воды с твердым телом
- •2.3. Влагоудерживающая способность твердых тел. Влияние основных факторов на степень обезвоживания
- •Контрольные вопросы
- •Глава 3. Отделение жидкости под действием механических методов
- •3.1. Обезвоживание кускового материала дренированием
- •3.1.1. Гидродинамика течения жидкости под влиянием собственного веса в порах осадка
- •3.2. Отстаивание под действием силы тяжести
- •3.2.1. Основные понятия. Классификация суспензий
- •3.2.2. Способы выражения и расчета концентрации твердого в пульпе
- •3.2.3. Исследование скорости расслоения суспензий I-го и II-го классов методом длинной трубки
- •3.2.4. Качественное описание процесса расслоения суспензий III и IV классов
- •3.2.5. Расчет удельной поверхности сгущения по методу Коу и Клевенжера
- •3.2.6. Расчет удельной поверхности по методу Кинча
- •3.2.7. Определение высоты сгустителя
- •3.2.8. Пример расчета сгустителя по методу Кинча
- •Контрольные вопросы
- •Глава 4. Применение центробежной силы при обезвоживании
- •4.1. Основные понятия
- •4.2. Особенности применения гидроциклонов для обезвоживания
- •Порядок расчета гидроциклона.
- •4.3. Особенности применения центрифуг для сгущения суспензий
- •4.4. Основные закономерности разделения суспензий в осадительных центрифугах. Индекс производительности
- •4.5. Физические основы разделения суспензий в фильтрующих центрифугах
- •Контрольные вопросы
- •Глава 5. Фильтрование
- •5.1. Основные понятия. Классификация
- •5.2. Физические основы фильтрации с образованием осадка. Гидродинамика течения жидкости через пористые и зернистые слои
- •5.3. Основное уравнение фильтрации
- •5.4. Определение оптимальных условий работы фильтров. Экономически выгодный цикл фильтрации
- •5.5. Применение уравнения фильтрации. Определение удельного сопротивления осадка и его сжимаемости
- •5.6. Фильтровальные перегородки
- •5.7. Конструкции фильтров. Периодически и непрерывно действующие. Классификация. Фильтры, работающие под давлением. Вакуум-фильтры. Способы снятия осадка
- •5.8. Выбор и расчет фильтров
- •5.9. Схемы подсоединения вакуум-фильтров
- •Контрольные вопросы
- •Глава 6. Агрегирование
- •6.1. Теория процесса агрегирования. Механизмы встреч частиц друг с другом. Понятие о расклинивающем давлении Теория процесса агрегации
- •Два механизма соударения или встречи частиц
- •6.2. Три слагающие поверхностных сил (расклинивающего давления). Двучленный закон взаимодействия
- •6.3. Силы Ван-дер-Ваальса. Слагающие сил Ван-дер-Ваальса. Ван-дер-ваальсово взаимодействие между молекулами и конденсированными фазами Силы Ван-дер-Ваальса
- •Электромагнитная теория взаимодействия конденсированных фаз
- •6.4. Природа ионно-электростатических сил. Закономерность изменения их вглубь раствора
- •6.5. Гидратационная слагаемая поверхностных сил (расклинивающего давления)
- •6.6. Три механизма агрегирования: коагуляция, флокуляция, мостиковая флокуляция
- •6.7. Основные принципы селективной агрегации частиц
- •6.8. Характеристика применяемых высокомолекулярных синтетических флокулянтов
- •Контрольные вопросы
- •Глава 7. Абсорбция
- •7.1. Общие сведения
- •7.2. Равновесие при абсорбции
- •7.3. Материальный и тепловой балансы процесса
- •7.4. Скорость процесса
- •Контрольные вопросы
- •Глава 8. Адсорбция
- •8.1. Общие сведения
- •8.2. Характеристики адсорбентов и их виды
- •8.3. Равновесие при адсорбции
- •8.4. Кинетика адсорбции
- •8.5. Десорбция
- •Контрольные вопросы
- •Глава 9. Флотация
- •9.1. Общие сведения
- •9.2. Теоретические основы процесса флотации
- •9.3.Флотационные реагенты и их классификация
- •9.4. Механизм действия собирателей
- •9.5. Реагенты-депрессоры
- •9.6.Реагенты-активаторы
- •9.7. Реагенты-регуляторы среды
- •9.8. Реагенты-пенообразователи
- •Контрольные вопросы
- •Глава 10. Экстракция
- •10.1 Процессы экстракции в системах жидкость-жидкость
- •10.1.1. Общие сведения
- •10.1.2. Равновесие в системах жидкость - жидкость
- •10.1.3. Методы экстракции
- •10.2. Процессы растворения и экстракции в системах твердое тело - жидкость
- •10.2.1. Общие сведения
- •10.2.2. Равновесие и скорость выщелачивания
- •Контрольные вопросы
- •Глава 11. Сушка
- •11.1. Основные понятия. Параметры, подлежащие расчету
- •11.2. Равновесное содержание влаги при сушке. Кинетика сушки. Понятие о напряжении объема сушилки
- •11.3. Основные параметры влажного воздуха
- •11.5. Изображение процессов изменения состояния воздуха на j - X на диаграмме
- •11.6. Материальный и тепловой балансы сушки
- •11.7. Расчет удельных расходов воздуха и тепла на сушку
- •11.8. Расчет сушилки в случае частичной рециркуляции обработанного воздуха
- •11.9. Сушка топочными газами
- •11.10. Конструкции сушилок
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Оглавление
- •Глава 1. Основные законы термодинамики. Понятие энтропии как функции обесценивания энергии и стремления системы к хаосу 6
- •Глава 2. Классификация двухфазных систем 41
- •Глава 3. Отделение жидкости под действием механических методов 50
- •Глава 4. Применение центробежной силы при обезвоживании 75
- •Глава 5. Фильтрование 86
- •Глава 6. Агрегирование 117
- •Глава 7. Абсорбция 144
6.5. Гидратационная слагаемая поверхностных сил (расклинивающего давления)
Слагающее расклинивающего давления S(h) проявляется при перекрытии сольватных оболочек соприкасающихся тел.
Природа сил гидратации определяется взаимодействием молекул воды с поверхностью твердого тела и связана с подвижностью иона водорода (протона). Степень смещения протона обуславливает силу связи. В некоторых случаях она явно носит водородный характер. Например, при взаимодействии H2O с атомом кислорода, находящимся на поверхности окисла.
H
Si – OH . . . O
H
Si – O . . . H —— O —— H
Однако же чаще взаимодействие молекул воды с катионами (Ме+n) и анионами (A-n) происходит по схемам
H
Me+n - - - - O и A-n - - - - H - O - H
H
Сила взаимодействия ионов с молекулами воды во многом зависит от отношения заряда иона к его радиусу, а энергетически точнее всего характеризуется теплотами гидратации ионов.
Современная теория жидкого состояния не позволяет определить закон изменения S(h) с расстоянием от поверхности. Однако можно предположить, что эти силы не дальнодействующие, т.к. обуславливают наличие только ближнего порядка в жидкостях. В некоторых случаях известно образование толстых полимолекулярных сольватных пленок, обладающих особыми свойствами.
6.6. Три механизма агрегирования: коагуляция, флокуляция, мостиковая флокуляция
Первый механизм - коагуляционный наблюдается при добавлении электролита, в результате чего уменьшается радиус действия электростатических сил отталкивания и снижается заряд поверхности. Образующие агрегаты, как правило, рыхлые. Частицы друг с другом слабо связаны, так как им мешает наличие сольватных слоев воды. Если, конечно, исходные частицы не были природно гидрофобны.
Второй механизм - флокуляция - наблюдается при искусственной гидрофобизации, происходящей при адсорбции реагентов типа флотационных собирателей. Образующие агрегаты гидрофобны, так как гидрофобизирующие реагенты частично или полностью разрушают сольватную оболочку воды. Частицы друг с другом связаны довольно прочно и полностью не разрушаются даже при турбулентном режиме перемешивания.
Третий механизм - мостиковый, который часто тоже называют флокуляцией. Мостиковая флокуляция наблюдается при применении высокомолекулярных полимерных веществ, активные группы которых, расположенные в одной молекуле, одновременно закрепляются на разных частицах. Образуются, как правило, большие агрегаты, которые чаще всего имеют вид хлопьев. Флокулы непрочные и быстро разрушаются при турбулентном режиме перемешивания.
Эффективность действия высокополимерных веществ определяется двумя факторами: сродством их активных групп к поверхности минералов, прочностью и структурой образующихся в суспензии полимерных молекул. Часто отмечается, что величина адсорбции молекул полимеров во многом определяется знаком и величиной заряда поверхности минеральных частиц. Разноименные заряды на поверхности и в молекуле полимера способствуют адсорбции.
Механизм действия этого класса соединений рассмотрим подробнее на примере полиакриламида (ПАА), следуя гипотезе, развиваемой Г.Р.Бочкаревым [3].
Полиакриламид представляет собой соединение типа:
[ - CH2 — CH2 — ]
CONH2
Группы –СОNH2 частично могут гидролизоваться до гидроксильных групп СООН.
ПАА обычно характеризуют степенью полимеризации или молекулярным весом, а также степенью гидролиза.
Исследования Г.Р. Бочкарева показали, что ПАА в растворе представлен пространственно сетчатой структурой, состоящей из переплетающихся нитевидных образований и центров стяжений в местах их переплетения, являющихся участками концентрированных молекулярных форм ПАА разных размеров и степени концентрации.
В 0,2%-ных растворах в центрах стяжений наблюдается наиболее концентрированные ассоциаты молекул.
При концентрации ПАА ниже 0,001% часто сетчатая структура ПАА принимает локализованный характер, связи между стяжениями рвутся. Нити сетчатой структуры представляют собой разветвленные молекулярные пачки различной толщины и длины.
Связывание частиц сетками полиакриламина доказывали следующим образом. В растворы ПАА вносили небольшое количество слабо концентрированной суспензии из тонких частиц кварца и магнетита и воздействовали на систему переменным магнитным полем. При этом наблюдали под бинокулярным микроскопом, что частицы на дно сосуда не осаждаются, а система стабилизируется, и при воздействии переменным магнитным полем происходит синхронное колебание частиц кварца и магнетита.
Аналогичные опыты с растворами менее 0,05%-ой концентрации показали, что растворы обладают менее прочной и более редкой сетчатой структурой, так как крупные частицы осаждаются беспрепятственно, средние стабилизируются, а наиболее мелкие находятся в движении. При воздействии переменным магнитным полем не наблюдается синхронное колебание частиц кварца и магнетита.
Эти опыты доказывают, что по мере растворения ПАА или уменьшения его концентрации изменяется его структура.
Наблюдение кинетики растворения ПАА под бинокулярным микроскопом выявило ряд интересных качественных особенностей. При контакте ПАА с водой в последнюю устремляются мелкие глобулы раствора ПАА, но они не исчезают сразу в массе воды, а совершают 3-4 возвратно-поступательных движения. Такие этапы визуально наблюдаются до полного исчезновения глобул за время от 10 до 25 с.
Между глобулами и массой раствора ПАА, а также между глобулами первых двух-трех рядов имеются очень тонкие нитеобразные связи. Возвратно-поступательное движение и объясняется наличием этих связей.
Перемешивание суспензии способствует дальнейшему растворению и распространению флокулянта по всему объему. В зависимости от интенсивности перемешивания и неравномерности самой структуры ПАА, некоторые свернутые или полусвернутые молекулярные пачки в сетчатой структуре флокулянта растягивается, разворачивается; при этом увеличивается площадь соприкосновения с твердыми частицами. Некоторые связи в молекулах, растянутых до предела, рвутся, захватив на себя определенное количество частиц, т.е. флокул, которые быстро осаждаются. При разрыве тонких молекулярных пачек концы их стремятся вновь присоединиться к сетчатой массе флокулянта или свернуться на себя.
Время сворачивания пачек определяет количество частиц, попавших в эти своеобразные сетчатые мешки.
Поскольку ПАА неравномерно распределен в растворе, наблюдается несколько форм взаимодействия ПАА с частицами. Большинство флокул образовано в результате взаимодействия частиц со слабоупорядоченными, плотносетчатыми структурными формами. Флокула такого рода имеет вид плотных агрегатов. В меньшем количестве наблюдаются флокулы, скрепленные редкосетчатыми формами ПАА. Такая флокула обычно является рыхлой и имеет меньший размер.
Встречаются отдельные частицы, имеющие на себе поверхностный слой ПАА с нитеобразными ответвлениями молекулярных пачек. Таким образом, при взаимодействии ПАА с суспензией основная масса образующихся флокул возникает за счет связывания частиц сетчатыми структурами ПАА, а не отдельными молекулярными пачками.