1.4.3. Фильтрование
Фильтрование – процесс разделения неоднородных систем за счет «просеивания» их через фильтрующую перегородку. Эти процессы используются для отделения дисперсных частиц в жидких и газовых дисперсионных системах. В качестве движущей силы может использоваться сила тяжести (нутч-фильтр) и разность давлений по разные стороны фильтрующей перегородки (фильтр-прессы, вакуум-фильтры). Фильтрование можно осуществлять и в центробежном поле.
Существует два способа фильтрации:
1) через слой зернистой загрузки;
2) через фильтровальную перегородку.
Первый способ фильтрации заключается в следующем: через слой зернистой загрузки пропускается вода, содержащая взвешенные частицы. При этом происходит отложение взвешенных частиц в порах фильтрующего материала и отложение на поверхности этого материала. Осаждение частиц на поверхности пор материала зернистой загрузки происходит в результате совокупного действия эффекта касания, а также процессов диффузионного, инерционного и гравитационного осаждения частиц.
Второй способ фильтрования заключается в задержании частиц примесей на пористых перегородках при движении дисперсных сред через них. Принципиальная схема процесса фильтрования в пористой перегородке показана на рис. 1.12. Фильтр представляет собой корпус 1, разделенный пористой перегородкой (фильтроэлементом) 2 на две полости. В фильтр поступают загрязненные газы, которые очищаются при прохождении фильтроэлемента. Частицы примесей оседают на входной части пористой перегородки, задерживаются в порах, образуя слой пыли 3, и таким образом становятся для вновь поступающих частиц частью фильтровой перегородки, что увеличивает эффективность очистки и перепад давления на фильтроэлементе.
Рис. 1.12. Схема процесса фильтрования
1 – корпус фильтра; 2 – фильтроэлемент, 3 – слой частиц примесей
Взвешенные частицы в фильтрующем материале удерживаются, во-первых, за счет молекулярного взаимодействия (прилипания) частиц друг с другом и фильтрующим материалом, во-вторых, за счет их кулоновского (электрического) взаимодействия. Эффект очистки дисперсионной системы (газовой или жидкой) от взвешенных частиц определяется соотношением сил сцепления и отрыва их от фильтрующего материала. Чем выше сила сцепления, тем более эффективным является процесс фильтрации.
1.4.4. Коагуляция и флокуляция
Коагуляция – это слипание частиц коллоидной системы при их столкновении в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле [1]. В результате коагуляции образуются агрегаты – более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления мелких (первичных). Первичные частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей дисперсной среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и уменьшением общего их числа в объеме дисперсной среды. Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных – гетерокоагуляцией.
Производственные сточные воды в большинстве случаев представляют собой слабоконцентрированные эмульсии или суспензии, содержащие коллоидные частицы размером 0,001-0,1 мкм, мелкодисперсные частицы размером 0,1-10 мкм, а также частицы размером 10 мкм и более. В процессе механической очистки из сточных вод достаточно легко удаляются частицы размером 10 мкм и более, мелкодисперсные частицы и коллоидные практически не удаляются, поэтому их надо укрупнять. Для этих целей применяют коагуляцию.
Известно, что коллоидные частицы, представляющие совокупность большого числа молекул вещества, содержатся в сточной воде в диспергированном состоянии. Обладая большой удельной поверхностью, эти частицы удерживают покрывающий их слой воды и адсорбируют находящиеся в воде ионы преимущественно одного знака. Ионы, непосредственно прилегающие к ядру, образуют адсорбирующий слой. В связи с тем, что на границе адсорбционного слоя создается электрический заряд, вокруг гранулы (ядра с адсорбционным слоем) образуется диффузный слой, в котором находятся остальные противоположно заряженные ионы, компенсирующие заряд гранул. Гранула вместе с диффузным слоем называется мицеллой. Так как мы имеем дело с электрическими зарядами, то поле вокруг мицеллы характеризуется определенным потенциалом, который уменьшается к границе адсорбционного слоя. Потенциал на границе адсорбционного слоя называется электрохимическим потенциалом. Если потенциал системы становится менее 0,03 В, то силы взаимного (гравитационного) притяжения между частицами начинают преобладать над электрическим отталкиванием. При потенциале, равном нулю, коагуляция происходит с максимальной интенсивностью, состояние коллоидной системы в этом случае называется изоэлектрическим состоянием, а величина рН – изоэлектрической точкой системы (рис. 1.13).
Одним из методов снижения потенциала коллоидной системы является увеличение концентрации в воде электролитов. Способность электролита вызывать коагуляцию возрастает с увеличением валентности коагулирующего иона, обладающего зарядом, противоположным заряду коллоидных частиц. Соотношение коагулирующей способности 1:2:3(валентных ионов)= 1:30:1000.
Основным же процессом коагуляции является гетерокоагуляция – взаимодействие коллоидных и мелкодисперсных частиц с агрегатами, образующимися при введении в сточную воду коагулянтов. При коагуляции хлопья образуются сначала за счет взвешенных частиц и коагулянта. Образовавшиеся хлопья сорбируют вещества, загрязняющие сточные воды и, осаждаясь вместе с ними, очищают воду.
Рис. 1.13. Строение мицеллы и изменение ее напряженности
электрического поля
А – адсорбционный слой; б – диффузионный слой; І – ядро
При использовании в качестве коагулянтов алюминия и железа в результате реакции гидролиза образуются малорастворимые в воде гидроксиды железа и алюминия, которые сорбируют на развитой хлопьевидной поверхности взвешенные, мелкодисперсные, коллоидные и растворенные вещества и при благоприятных гидродинамических условиях оседают на дно отстойника, образуя осадок:
Al2(SO4)3 + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2SO4 (1.52)
FeSO4 + 2H2O = Fe(OH)2 + 4H2SO4 (1.53)
Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3 (1.54)
Образующуюся в процессе гидролиза кислоту следует нейтрализовать известью или другими щелочами. Нейтрализация кислот может также протекать за счет щелочного резерва сточной жидкости, например,
H2SO4 + NaHCO3 = NaHSO4 + CO2 + H2O. (1.55)
Для очистки сточных вод применяют различные коагулянты, количество которых зависит от его вида, расхода, состава и требуемой очистки воды и определяется, как правило, экспериментально.
Однако коагуляция, идущая с применением неорганических коагулянтов, в ряде случаев недостаточно эффективно способствует осветлению воды, что связано с неуправляемостью процесса, медленным гидролизом коагулянтов и малой скоростью хлопьеобразования. С целью интенсификации коагуляции и осаждения взвесей используется процесс флокуляции, открытый французским ученым Анри в 1903 году.
Флокуляцией называется процесс, при котором мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под влиянием специально добавляемых неорганических и органических веществ–флокулянтов – образуют интенсивно оседающие рыхлые хлопьевидные скопления [1, 13].
Флокулянты – линейные органические полимеры с очень высокой молекулярной массой. Флокулянты могут быть органического катионного (ПАА) и анионного (ВА-2, ВА-3 и т.д.) типов и минерального (кремниевая кислота) происхождения. Схема образования агрегата при флокуляции носит название мостиковой модели. Механизм флокуляции следующий: закрепление концов макромолекул на поверхности частиц; адсорбция сегментов молекул на вакантных участках частиц. Наиболее эффективно процесс идет, когда размеры частиц соизмеримы с размером молекул. В других случаях эффективность флокуляции уменьшается (рис. 1.14).
Рис. 1.14. Схема флокуляции