Билет 3. Флокуляционная очистка загрязненных жидкостей.

Флокуляция - (клочья, хлопья), вид коагуляции, при которой мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в жидкой или газовой среде, образуют рыхлые хлопьевидные скопления, т. н. флокулы. Флокуляция в жидких дисперсных системах (золях, суспензиях, эмульсиях, латексах) происходит под влиянием специально добавляемых веществ – флокулянтов, а также при тепловых, механических, электрических и пр. воздействиях. Эффективные флокулянты – растворимые полимеры, особенно полиэлектролиты.   Действие полимерных флокулянтов обычно объясняют адсорбцией нитевидных макромолекул одновременно на различных частицах. Возникающие при этом агрегаты образуют хлопья, которые могут быть легко удалены отстаиванием или фильтрованием. Флокулянты (поликремниевая кислота, полиакриламид и др.) широко используются при подготовке воды для технических и бытовых нужд, обогащении полезных ископаемых, в бумажном производстве, в сельском хозяйстве (для улучшения структуры почв), в процессах выделения ценных продуктов из производственных отходов, обезвреживания промышленных сточных вод. При водоочистке полимерные флокулянты применяют обычно в концентрации 0,1–5 мг/л. Флокуляция под действием органических веществ в природных водоемах – важный фактор их самоочищения.

ФЛОКУЛЯНТЫ, в-ва, вызывающие в жидких дисперсных системах флокуляцию - образование рыхлых хлопьевидных агрегатов (флокул) из мелких частиц дисперсной фазы (см. Коагуляция).

Флокулянты бывают неорганическими и органическими, природными и синтетическими, ионогенными и амфотерными.

Неорганические флокулянты – активная кремниевая кислота АКФК;

природные – крахмал, карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ).

Наиб. практич. значение имеет флокуляция в водной среде, вызванная высокомол. Ф.- полиэлектролитами или неионо-генными полимерами. При этом наиб. вероятна т. наз. адсорбционная флокуляция - соединение частиц в результате адсорбции отдельных сегментов макромол. цепи Ф. на разных частицах. Возможны также и др. механизмы: взаимод. между молекулами Ф., каждая из к-рых адсорбционно связана с одной частицей, неадсорбционная флокуляция, напр. вытес-нительная, протекающая по механизму гидрофобных взаимодействий.

Адсорбционная флокуляция происходит, как правило, при оптим. соотношении концентраций Ф. и частиц дисперсной фазы. На кинетику и полноту флокуляции, а также структуру и св-ва флокул влияют, с одной стороны, мол. масса, степень ионизации, конформация макромолекул Ф., с другой - знак и плотность поверхностных зарядов, размер и форма коллоидных частиц, хим. состав их пов-сти. Наиб. эффективна флокуляция при степени адсорбционного заполнения пов-сти частиц полимером ок. 0,5. Избыток Ф. может не только ухудшить флокуляцию, но вызвать обратный процесс - де-флокуляцию, или пептизацию.

В коллоидных системах с неоднородной по составу дисперсной фазой различают общую (неизбирательную) и селективную (избирательную) флокуляцию. В первом случае фло-кулы образуются совокупностью частиц разной природы, во втором - преим. частицами одного из компонентов дисперсной фазы. Селективность объясняется специфичностью взаимод. Ф. с частицами определенного типа. Усилить различие в св-вах пов-сти частиц разного рода и, тем самым, увеличить селективность действия Ф. можно путем введения в систему реагентов-модификаторов, напр. низкомол. электролитов или ПАВ. Флокуляция м. б. селективной также в том случае, если максимум флокулирующего действия в отношении частиц разл. типа соответствует разл. равновесным концентрациям Ф. в дисперсионной среде.

Различают неорг. и орг. Ф. Из неорг. Ф. в пром-сти применяют лишь поликремниевую к-ту. Орг. Ф.- разл. син-тетич. или прир. гомо- и сополимеры гл. обр. линейного строения с мол. м. . По способности к элект-ролитич. диссоциации их делят на неионогенные и ионоген-ные (полиэлектролиты).

Среди синтетич. Ф. широко распространены полимеры и сополимеры акриламида, напр. техн. полиакриламид (ПАА), содержащий 3-8 мол. % карбоксилатных звеньев, образующихся в результате гидролиза амидных групп в процессе синтеза полимера. В пром-сти он обычно используется как неионогенный Ф. Хим. модифицирование ПАА позволяет получать на его основе Ф. разл. типов и назначения. Практич. значение имеет также высокомол. полиэтиленоксид - неионогенный Ф., часто применяемый в сочетании со стабилизаторами - антиоксидантами; в нек-рых случаях используют поливиниловый спирт.

Из анионных Ф. в пром-сти применяют: частично гидроли-зованный ПАА, содержащий в макромолекуле 20-40% карбоксилатных звеньев; продукты неполного щелочного (напр., реагенты гипан, К-4, К-6, К-9) или кислотного (напр., "Ока") гидролиза полиакрилонитрила с разл. соотношением нит-рильных, амидных и карбоксильных (или карбоксилатных) групп; гомо- и сополимеры акриловой (AK) и метакриловой (МАК) K-T [напр., "Комета" - полиметакриловая к-та, на 50-60% нейтрализованная щелочью, метас (метасол) - сополимер метакриламида и МАК (или Na-соли МАК) при эквимолярном соотношении сомономеров, метакрил M-14 BB (лакрис 20) - сополимер метилметакрилата и МАК (или ее смешанной соли) при молярном соотношении 1:4]. К анионным Ф. с карбоксильными (карбоксилатными) группами относятся также сополимеры малеиновой и фумаровой K-T. Практич. интерес представляют Ф. с сильнокислотными группами (напр., сульфогруппами) на основе полистирола (напр., BK-1), ПАА и др. полимеров.

Катионные Ф. особенно эффективны при обработке дисперсных систем с отрицательно заряженными частицами. Слабоосновные катионные Ф.- поливиниламин, полиэтилен-имин, поливинилпиридины и др., содержащие в молекуле первичные, вторичные и третичные атомы азота, сильноосновные - полиэлектролиты с четвертичными аммониевыми или пиридиниевыми группами (получают исчерпывающим алкилирование атомов N слабоосновных Ф. или полимеризацией соответствующих мономерных соединений). В качестве катионных Ф. могут быть использованы полимеры аминоал-киловых эфиров AK и МАК, винилпиридинов, диаллиламина, диаллилдиметиламмонийхлорида (напр., полиэлектролит ВПК-402), продукты алкилирования полидиметиламиноэтил-метакрилата и полидиэтиламиноэтилметакрилата (ВА-102, ВА-112), продукты последоват. хлорметилирования и амини-рования полистирола или поливинилтолуола (ВА-2, ВПК-01), модифицированный формальдегидом и вторичным амином (по р-ции Манниха) ПАА, содержащий в макромолекуле до 30 мол. % катионных звеньев (напр., КФ-4 и КФ-6, в к-рых помимо аминогрупп имеются амидные, карбоксильные и метоксильные группы).

Полиамфолитные Ф.- обычно продукты сополимеризации кислотного (AK, МАК, малеиновый ангидрид и др.) и основного (2-винилпиридин, диаллилдиметиламмонийхлорид и др.) мономеров. В ряде технол. процессов, напр. при флокуляции биол. суспензий, полиамфолитные Ф. имеют преимущества перед Ф. анионного и катионного типов.

Природные Ф. выделяют непосредственно из растений (напр., крахмал, полиальгинаты) или получают в результате хим. переработки растит. (эфиры целлюлозы, модифицир. крахмалы, лигносульфоновые и гуминовые к-ты) или животного (напр., хитозан из отходов переработки крабов, креветок, криля) сырья. К этой группе относятся также биофло-кулянты, изготовляемые методами биотехнологии в виде биомассы клеток микроорганизмов или продуктов их метаболизма; хим. основа таких Ф.- гликопротеины, гетерополи-сахариды и др.

Используют Ф. для очистки воды бытового и пром. назначения, обезвреживания сточных вод и жидких производств, отходов, при добыче и флотационном обогащении полезных ископаемых, концентрировании латексов (путем сливкоотде-ления), выделении микроорганизмов из культуральной жидкости, микробиол. произ-ве кормовых белков, инсектицидов, лек. препаратов, пищ. добавок и др. В зависимости от кол-ва и дисперсности флокулируемой фазы, целей и условий флокуляции, типа применяемого реагента рабочие концентрации Ф. изменяются в широких пределах. Напр., при подготовке воды для пром. и бытовых нужд Ф. используют в концентрациях 0,1-50 мг/дм3, а при очистке бурового раствора от шлама -0,1-1,5 г/дм3. Во мн. случаях для повышения эффективности действия Ф. их применяют в сочетании с неорг. коагулянтами.

Билет 5. Флотационная очистка загрязненных жидкостей.

Флотация является сложным физико-химическим процессом, заключающимся в создании комплекса частица-пузырек воздуха или газа, всплывании этого комплекса и удалении образовавшегося пенного слоя. Процесс флотации широко применяют при обогащении полезных ископаемых, а также при очистке сточных вод.

В зависимости от способа получения пузырьков в воде существуют следующие способы флотационной очистки:

флотация пузырьками, образующимися путем механического дробления воздуха (механическими турбинами-импеллерами, форсунками, с помощью пористых пластин и каскадными методами);

флотация пузырьками, образующимися из пересыщенных растворов воздуха в воде (вакуумная, напорная);

электрофлотация.

Процесс флотации — образования комплекса пузырек-частица происходит в три стадии: сближение пузырька воздуха и частицы в жидкой фазе, контакт пузырька с частицей и прилипание пузырька к частице. Прочность соединения пузырек-частица зависит от размеров пузырька и частицы, физико-химических свойств пузырька, частицы и жидкости, гидродинамических условий и других факторов.

Процесс очистки стоков при флотации заключается в следующем: поток жидкости и поток воздуха (мелких пузырьков) в большинстве случаев движутся в одном направлении. Взвешенные частицы загрязнений находятся во всем объеме сточной воды и при совместном движении с пузырьками воздуха происходит агрегирование частицы с воздухом. Если пузырьки воздуха значительных размеров, то скорости воздушного пузырька и загрязненной частицы различаются так сильно, что частицы не могут закрепиться на поверхности воздушного пузырька. Кроме того, большие воздушные пузырьки при быстром движении сильно перемешивают воду, вызывая разъединение уже соединенных воздушных пузырьков и загрязненных частиц. Поэтому для нормальной работы флотатора во флотационную камеру не допускаются пузырьки более определенного размера.

Вакуумная флотация

Вакуумная флотация основана на понижении давления ниже атмосферного в камере флотатора. При этом происходит выделение воздуха, растворенного в воде. При таком процессе флотации образование пузырьков воздуха происходит в спокойной среде, в результате чего улучшается агрегирование комплексов частица-пузырек и не нарушается их целостность вплоть до достижения ими поверхности жидкости.

Напорная флотация

Этот вид флотации выполняется в две стадии: насыщение воды воздухом под давлением; выделение пузырьков воздуха соответствующего диаметра и всплытие взвешенных и эмульгированных частиц примесей вместе с пузырьками воздуха. Если флотация проводится без добавления реагентов, то такая флотация относится к физическим способам очистки сточных вод.

Импеллерная флотация

Флотаторы импеллерного типа применяют для очистки сточных вод нефтяных предприятий от нефти, нефтепродуктов и жиров. Их также можно использовать для очистки сточных вод других предприятий. Данный способ флотации в промышленности применяют редко из-за его небольшой эффективности, высокой турбулентности потоков во флотационной камере, приводящей к разрушению хлопьевидных частиц, и необходимости применять поверхностно-активные вещества.

Флотация с подачей воздуха через пористые материалы

Для получения пузырьков воздуха небольших размеров можно использовать пористые материалы при флотации, которые должны иметь достаточное расстояние между отверстиями, чтобы не допустить срастания пузырьков воздуха над поверхностью материала. На размер пузырька большое влияние оказывает скорость истечения воздуха из отверстия. Для получения микропузырьков необходима относительно небольшая скорость истечения.

Электрофлотация

Сточная жидкость при пропускании через нее постоянного электрического тока насыщается пузырьками водорода, образующегося на катоде. Электрический ток, проходящий через сточную воду, изменяет химический состав жидкости, свойства и состояние нерастворимых примесей. В одних случаях эти изменения положительно влияют на процесс очистки стоков (флотации), в других — ими надо управлять, чтобы получить максимальный эффект очистки.

В общем, достоинствами флотации являются непрерывность процесса, широкий диапазон применения, небольшие капитальные и эксплуатационные затраты на флотацию, простая аппаратура флотации, селективность выделения примесей, по сравнению с отстаиванием большая скорость процесса, а также возможность получения шлама более низкой влажности (90-95%), высокая степень очистки (95-98%), возможность рекуперации удаляемых веществ.Источник — «http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%BB%D0%BE%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F»

Билет 11. Осветление воды фильтрованием: механизмы задерживания примесей, фильтрующие материалы. Основные виды фильтров с зернистой загрузкой для очистки природных и сточных вод.

Важной стадией осветления воды является ее фильтрование. При фильтровании вода проходит через пористую среду, образованную слоем фильтрующего материала. Существует большое разнообразие фильтров, различающихся:

1) видом фильтрующегося материала;

2) скоростью фильтрования;

3) механизмом задержания взвешенных частиц;

4) конструктивным оформлением.

1) Фильтры по виду фильтрующей среды делятся на:

- зернистые- песок, антрацит, керамзит;

- сетчатые – сетки с ячейками различных размеров;

- каркасные или намывные – диатомитовые;

- с плавающей загрузкой – гранулы вспененного пенополистирола.

2) По скорости фильтрования различают:

- медленные фильтры ( 0,3 м/ч (открытые);

- скорые =2…15 м/ч (открытые и напорные);

- сверхскорые (25 м/ч (напорные).

3) По характеру механизма задержания взвеси различают:

1. Фильтрование через фильтрующую пленку, образованную частицами взвеси, оседающими на поверхности загрузки. Этот механизм характерен для медленных фильтров, в которых вначале задерживаются только частицы, имеющие размеры больше размеров пор фильтрующего материала. По мере задержания частиц размеры пор в слое осадка уменьшаются, и он задерживает все более мелкую взвесь.

В этих фильтрах в процессе работы качество осветвленной воды (фильтрата) постоянно улучшается, но одновременно растет гидравлическое сопротивление фильтрующей пленки и необходимая высота столба воды над фильтрующим слоем. Для восстановления начального гидравлического сопротивления через 1-2 месяца работы фильтрующая пленка вместе с верхним слоем фильтрующего материала толщиной 1-2 см снимается.

Для медленных фильтров не требуется коагуляция воды, но из-за небольшой скорости фильтрования фильтры имеют большие размеры и в настоящее время на промышленных предприятиях используются мало.

2. Фильтрование без образования фильтрующей пленки. В этом случае задержание частиц, загрязняющих воду, происходит в толще слоя фильтрующего материала. Там они прилипают к зернам материала и удерживаются на них.

Этот механизм характерен для скорых и сверхскорых фильтров.

В процессе работы фильтров оседающие или прилипающие частицы сокращают размеры пор фильтрующего материала. Следовательно, увеличивается скорость движения воды через поры, что приводит к увеличению потерь напора в фильтрующем слое. Потери напора могут возрастать до тех пор, пока через определенный промежуток времени они не превысят величину максимального (обычно 3 м) располагаемого напора перед фильтром, после чего фильтр должен очищаться.

Кроме того, из-за увеличения скорости движение воды в порах начинается частичный вынос ранее осевших частиц взвеси, и качество фильтрата осветленной воды ухудшается. Через определенный промежуток времени работы фильтров (₃ качество осветленной воды становится ниже требуемых по нормам, и фильтр также должен очищаться.

Как значения , так и значения зависит от качества воды, характеристик взвеси, фильтрующего материала, толщины фильтрующего слоя и скорости фильтрования.

Значение уменьшается при увеличении скорости фильтрования, увеличении высоты фильтрующего слоя, уменьшении частиц фильтрующего материала.

Значение уменьшается при увеличении скорости фильтрования, уменьшении высоты фильтрующего слоя, увеличении частиц фильтрующего материала.

Размер частиц фильтрующего материала и толщину фильтрующего слоя подбирают таким образом, чтобы / =1,3…1,5.

 

Принципы работы скорых фильтров

 

Фильтры, работающие по принципу скорого фильтрования, или «скорые фильтры», широко применяются в практике очистки воды. Скорость фильтрования для этих фильтров принимается от 6 до 12 м/ч в зависимости от типа фильтров и крупности загрузки.

Скорые фильтры используют для осветления мутных и цветных вод после коагулирования и отстаивания, при умягчении, обезжелезивании и в некоторых других случаях.

Вода в процессе фильтрования может проходить через скорые фильтры:

1) самотеком – благодаря превышению уровня воды в фильтре над уровнем воды в резервуаре чистой воды (в который вода отводится);

2) под напором (обычно создаваемым насосами) – фильтры в этом случае устраиваются в виде закрытых напорных резервуаров.

В соответствии с этими принципами работы различают фильтры самотечные и напорные.

 

Осветление воды в самотечном фильтре

 

Обычные самотечные фильтры устраивают чаще всего в виде прямоугольных в плане железобетонных резервуаров (или металлических). На рисунке 7.6 (а и б) показаны схематически устройство и принцип работы скорого фильтра.

1 – дренажное устройство;

2 – слой поддерживающего материала (гравия);

3 – слой фильтрующего материала (песка);

4 – желоб;

5 – карман.

Рисунок 7.6 -Самотечный скорый фильтр

Фильтр работает следующим образом: вода подается в карман 5, из него через желоб 4 поступает в пространство над фильтрующим материалом, создавая столб воды. Под действием сил гравитации вода просачивается через фильтрующий материал 3, очищаясь от взвешенных частиц. Затем проходит слой гравия 4 и отводится при помощи дренажных устройств 5.

Пропускная способность фильтра определяется скоростью фильтрования (_Ф, т.е. скоростью вертикального движения воды через фильтрующий слой, м/ч:

где Q_ф – количество воды, проходящей через фильтр, м³/ч;

F_ф – площадь фильтра, м².

При промывке фильтр выключается из работы, промывочная вода подается снизу через дренажное устройство и проходит слой гравия и песка в обратном направлении. Затем промывочная вода отводится через желоб 4 и патрубок сброса промывочной воды.

При очитке фильтров очищенная вода подается со скоростью в несколько раз превышающей скорость фильтрации. Обратный поток воды встряхивает песок и интенсивно отмывает его от загрязнений практически за 5…7 минут.

Опыт эксплуатации скорых фильтров показывает, что их необходимо очищать 1-2 раза в сутки, а иногда и чаще.

 

Определение размеров фильтров

 

Площадь одного фильтра определяется по формуле:

где F_полн – требующаяся полная площадь фильтров, м²;

n – количество параллельно работающих фильтров, шт.

Количество параллельно работающих фильтров определяется по соотношению

,

а требуемая полная площадь фильтров по формуле:

,

где Q_сут – суточная расчетная потребность в воде снабжаемого объекта, м³/сутки;

– скорость фильтрования ( =Q_ф/F_ф), м³/ч;

q – расчетная интенсивность промывки фильтров, л/(с(м²);

– длительность одной промывки фильтра, ( =0,09...0,11ч);

– длительность перерывов в работе фильтра, ( =0,33ч);

– длительность сброса первого фильтра после очередной промывки, ( =0,17ч);

m – количество промывок одного фильтра в сутки.

Расчетная скорость фильтрования в зависимости от характера материала фильтрующего слоя и его высоты определяется в соответствии с рекомендациями СНиП.