Л е к ц и я № 3
Очистка сточных вод методом коагуляции
П л а н
1. Общая характеристика метода коагуляции.
2. Гетерокоагуляционный метод очистки СВ.
3. Факторы, влияющие на процессы коагуляции.
3.1. Содержание коллоидных частиц.
3.2. Температура.
3.3. Эффективность перемешивания.
3.4. рН раствора.
3.5. Растворённые в воде примеси.
3.6. Степень насыщения (концентрация коагулянта).
4. Основные коагулянты и их характеристика.
4.1. Соли алюминия.
4.2. Соли железа.
5. Коагуляционные методы очистки.
5.1. Контактная коагуляция.
5.2. Коагуляция под воздействием физико-химических
факторов.
5.3. Электрохимическая коагуляция.
Известные методы механической очистки позволяют выделить из сточных вод частицы крупностью ~ 10-5 м. Однако в сточных водах содержатся и мелкодисперсные и коллоидные частицы размером 10-9–10-7 м. Для очистки сточных вод от таких примесей используют методы коагуляции и флокуляции.
1. Общая характеристика метода коагуляции
Коагуляция – это процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты.
Прежде, чем говорить о коагуляции как методе очистки СВ, давайте вспомним состояние коллоидных частиц в растворе, а именно, применительно к сточным водам.
Концентрация коллоидной фазы в сточных водах невелика, поэтому сточные воды могут быть отнесены к свободнодисперсным коллоидным системам. Присутствующие обычно в сточных водах органические вещества, электролиты, ПАВ существенно влияют на устойчивость дисперсных систем, а так же на процессы и коагуляцию.
Коллоидные частицы обладают большой удельной поверхностью и в результате адсорбируют находящиеся в воде ионы. Процессы адсорбции зависят в первую очередь от природы частиц. Поскольку ионы заряжены, то вследствие их адсорбции образуется коллоидная частица, имеющая заряд. Ионы, которые адсорбировались, называются потенциалоопределяющими ионами. К заряженной частице под действием сил электростатического взаимодействия притягиваются противоионы, имеющие противоположный заряд.
Образуется двойной слой ионов. Этот слой состоит из двух частей. Первая часть образована противоионами, расположенными вблизи поверхности (так называемыми ассоциированные противоионы). Размеры этого слоя соизмеримы с размерами молекул. Вторая часть противоионов образует подвижный диффузный слой.
mMN → mM+ + mN-,
гранула
ядро { mM+ (m – x) N-}-x x N- } - мицелла
коллоидная частица
Между коллоидной частицей и диффузным слоем существует разность потенциалов, так называемый ξ – потенциал (дзета) или электрокинетический.
Все частицы данного коллоида сорбируют преимущественно ионы одного знака и оказываются частицами одного знака, между ними возникают силы электростатического отталкивания.
С другой стороны, частицы коллоидов находятся в воде под действием диффузионных сил, обусловленных броуновским движением.
Под их влиянием частицы стремятся равномерно распределиться во всём объёме. При достаточно мелких размерах коллоидных частиц силы диффузии преобладают над силами тяжести и частицы остаются во взвешенном состоянии. Для того, чтобы произошло осаждение этих частиц, необходимо их укрупнение за счёт слипания, которому мешает электрический заряд.
Одновременно между частицами действуют силы Ван-дер-Ваальса – молекулярные силы взаимного притяжения. Эти силы проявляются лишь при небольшом расстоянии между частицами и убывают при увеличении расстояния между ними. Однако необходимость большой кинетической энергии частиц для преодоления сил столкновения снижает вероятность слипания частиц и коагуляцию коллоида, коллоидная система сохраняет свою агрегативную устойчивость.
Наиболее эффективный способ снижения агрегативной устойчивости коллоидной системы – это снижение электрического заряда частиц, т. е. уменьшение ξ – потенциала.
Существуют следующие методы снижения ξ – потенциала коллоидной системы.
1) Увеличение в воде концентрации электролита.
При этом увеличивается концентрация в растворе противоионов, которые понижают заряд гранулы и тем самым снижают ξ – потенциал.
Способность электролита вызывать коагуляцию коллоидной системы возрастает с увеличением валентности коагулирующего иона, обладающего зарядом, противоположным заряду коллоидных частиц.
Таблица 1 - Относительная коагулирующая способность электролитов
Электролит |
Относительная коагулирующая способность для частиц, заряженных |
|
положительно |
отрицательно |
|
NaCl |
1 |
1 |
Na2SO4 |
30 |
1 |
Na3PO4 |
1000 |
1 |
AlCl3 |
1 |
1000 |
FeCl3 |
10 |
1000 |
Fe2(SO4)3 |
30 |
1000 |
При добавлении к раствору электролита постепенно снижается ξ – потенциал иногда до ξ = 0. Oднако дальнейшее увеличение концентрации в растворе электролита может привести к перезарядке коллоидных частиц, что приведёт к возрастанию ξ – потенциала и возрастанию устойчивости коллоида.
При проведении коагуляции путём добавления электролита следует иметь в виду, что чрезмерное увеличение дозы реагента может ухудшить коагуляцию коллоидов.
2) Коагуляцию коллоидов, загрязняющих воду, можно вызвать добавлением другого коллоида, частицы которого имеют заряд, противоположный заряду загрязняющих частиц. В результате, вследствие действия сил электростатического напряжения частиц добавляемого коллоида и заряженных частиц происходит их слипание, укрупнение и осаждение. При осуществлении процесса коагуляции по этой схеме количество добавляемого к воде коллоида коагулятора должно быть эквивалентно по электрическим зарядам и общему количеству зарядов частиц коагулируемого коллоида.
Такой метод коагуляции коллоидов, загрязняющих воду, под действием других коллоидов называется гетерокоагуляцией.
2. Гетерокоагуляционный метод очистки
Гетерокоагуляция – это взаимодействие коллоидных и мелкодисперсных частиц с агрегатами, образующимися при введении в очищаемую воду коагулянтов.
Это основой метод коагуляционной очистки сточных вод.
В качестве коагулянтов применяют соли, образованные слабыми основаниями 2-х и 3-х валентных металлов и сильной кислотой. Вследствие гидролиза коагулянты в воде образуют гидроксиды металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести. Хлопья гидроксидов улавливают коллоидные и взвешенные частицы и агрегируют их. Коллоидная частица сточной воды имеет слабый отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов – слабый положительный заряд, между ними возникает взаимное притяжение.
Образование хлопьев коагулянта вследствие гидролиза идёт по следующей схеме:
Me+3 + HOH MeOH+2 + H+;
MeOH2+ + HOH Me(OH)2+ + H+;
Me(OH)2+ + HOH Me(OH)3 + H+,
где Me+3 = Al3+, Fe3+
Гидроксиды металлов являются малорастворимыми соединениями, их концентрация в воде значительно выше их растворимости, т. е. раствор оказывается пересыщенным и поэтому коагулянт выделится в осадок из пересыщенного раствора в твёрдую фазу в виде частиц коллоидной степени дисперсности.
Процесс осаждения протекает в 3 стадии.
I стадия – стадия кристаллизации (инкубационный период) – адсорбция аморфных частиц коагулянта на поверхности частиц примесей сточной воды.
II стадия – коагуляция или рост зародышей.
III стадия – старение твёрдой фазы – аморфные частицы твёрдой фазы превращаются в кристаллы, которые затем агрегируются.
3. Факторы, влияющие на процессы коагуляции при
очистке сточных вод
На эффективность процесса очистки сточных вод методом коагуляции существенное влияние оказывает скорость коагуляции, которая зависит от содержания коллоидных частиц (концентрации примесей); температуры; эффективности перемешивания; рН раствора; растворённых в воде примесей.
3.1 Содержание коллоидных (взвешенных) частиц
в сточной воде
С увеличением концентрации примесей в воде увеличивается скорость коагуляции (т. к. на этих частицах образуются зародыши). При невысоком содержании примесей образуется мало центров кристаллизации и коагуляция идёт плохо: образуются мелкие хлопья, которые не осаждаются в отстойниках, а уносятся с осветлённой водой. В этих случаях для уменьшения дозы коагулянта и повышения эффективности очистки в очищенную воду добавляют небольшие количества тонкодисперсных порошков бентонитовой глины (химический состав Na (Mg, Al2) [Si4O10](OH)2 . 4H2O] - глины, образующиеся при извержении вулканического пепла), магнезита MgCO3, мела. Частицы этих порошков наряду с примесями воды служат центрами образования зародышей при кристаллизации коагулянта.
С этой же целью используют метод рециркуляции осадка – часть осадка, полученного в результате коагуляции, смешивают с исходной водой.