Коагуляція

Коагуляція - Це злипання частинок колоїдної системи при їх зіткненнях в процесі теплового руху, перемішування або спрямованого переміщення в зовнішньому силовому полі. В результаті коагуляції утворюються агрегати - більш великі (Вторинні) частки, що складаються зі скупчення дрібних (первинних). Первинні частинки в таких агрегатах з'єднані силами міжмолекулярної взаємодії безпосередньо або через прошарок навколишнього (дисперсійної) середовища. Коагуляція супроводжується прогресуючим укрупненням частинок і зменшенням їх загального числа в обсязі дисперсійного середовища (в нашому випадку - рідини). Злипання однорідних частинок називається гомокоагуляціей, а різнорідних - гетерокоагуляціей.

Рис. 1. Будова міцели

a) x> 0.03, б) x = 0;

А - Адсорбційний шар; Б-дифузійний шар; I-ядро

Виробничі стічні води в більшості випадків являють собою слабоконцентрірованние емульсії або суспензії, що містять Колоїдні частинки розміром 0,001 - 0,1 мкм, дрібнодисперсні частинки розміром 0,1 - 10 мкм, а також частки розміром 10 мкм і більше.

В процесі механічного очищення із стічних вод досить легко видаляються частинки розміром 10 мкм і більш, дрібнодисперсні і колоїдні частки практично не видаляються. Таким чином, стічні води багатьох виробництв після споруд механічного очищення являють собою агрегативно стійку систему. Для їх очищення застосовують методи коагуляції; агрегативна стійкість при цьому порушується, утворюються більш великі агрегати частинок, які видаляються з стічних вод механічними методами.

Методи коагуляції широко поширені для очищення стічних вод підприємств хімічної, нафтохімічної, нафтопереробної, целюлозно-паперової, легкої, текстильної та інших галузей промисловості. Ефективність коагуляційному очищення залежить від багатьох факторів: виду колоїдних частинок; їх концентрації і ступеня дисперсності; наявності в стічних водах електролітів і інших домішок; величини електрокінетичного потенціалу. У стічних водах можуть міститися тверді (каолін, глина, волокна, цемент, кристали солей і ін) і рідкі (нафта, нафтопродукти, смоли та ін) частинки.

Колоїдні частинки, що представляють собою сукупність великого числа молекул речовини, що міститься в стічній воді в дисперговані стані, при переміщенні міцно утримують покриває їх шар води. Володіючи великою питомою площею поверхні, колоїдні частинки адсорбують знаходяться у воді іони переважно одного знака, значно знижують вільну поверхневу енергію колоїдних частинок. Іони, що безпосередньо прилягають до ядра, утворюють шар поверхнево-ядерних іонів, або так званий адсорбційний шар. У цьому шарі може перебувати також невелике число протилежно заряджених іонів, сумарний заряд яких, однак, не компенсує заряду поверхнево-ядерних іонів. У зв'язку з тим, що на кордоні адсорбційного шару створюється електричний заряд, навколо гранули (ядра з адсорбційним шаром) утворюється дифузійний шар, в якому знаходяться інші протилежно заряджені іони, що компенсують заряд гранул. Гранула разом з дифузійним шаром називається міцели. На рис. 1 показано зміна напруженості електричного поля міцели. Потенціал на кордоні ядра - термодинамічний потенціал (x -Потенціал) - дорівнює сумі зарядів всіх поверхнево-ядерних конів. На кордоні адсорбційного шару потенціал зменшується на величину, рівну сумі зарядів знаходяться в адсорбційному шарі протилежно заряджених іонів. Потенціал на кордоні адсорбційного шару називається електрокінетичних потенціалом (x -Потенціал).

На частинки колоїдів діють дифузійні сили, і частки прагнуть рівномірно розподілятися у всьому об'ємі рідкої фази. Наявність у часток електричних зарядів одного знака викликає їх взаємне відштовхування. Одночасно між колоїдними частками є молекулярні сили взаємного тяжіння, які проявляються лише при невеликих відстанях між частинками. При зниженні електричного заряду частинок, тобто при зменшенні x-потенціалу, сили відштовхування зменшуються і стає можливим злипання частинок - процес коагуляції колоїду. Сили взаємного тяжіння між колоїдними частками починають переважати над електричними силами відштовхування при x-потенціал системи менше 0,03 В. При x-потенціал, рівному нулю, коагуляція проходить з максимальною інтенсивністю, стан колоїдної системи в цьому випадку носить назву ізоелектричного стану, а величина рН називається ізоелектричної точкою системи.

Одним з методів зниження x-потенціалу колоїдної системи є збільшення концентрації у воді електролітів. Здатність електроліту викликати коагуляцію колоїдної системи зростає із збільшенням валентності коагулююча іона, володіє зарядом, який протилежний заряду колоїдних частинок. Співвідношення коагулирующей здатності одно-, двох-і тривалентних іонів приблизно 1:30:1000.

При коагуляції пластівці утворюються спочатку за рахунок частини зважених часток і коагулянту або тільки коагулянту. Утворилися пластівці останнього сорбують речовини, що забруднюють стічні води і, осідаючи разом з ними, очищають воду.

Основним процесом коагуляційному очищення виробничих стічних вод є гетерокоагуляція - взаємодія колоїдних і дрібнодисперсних часток стічних вод з агрегатами, що утворюються при введенні в стічну воду коагулянтів.

При використанні в якості коагулянтів солей алюмінію і заліза в результаті реакції гідролізу утворюються малорозчинні у воді гідроксиди заліза та алюмінію, які сорбують на розвиненої пластівчасту поверхні зважені, дрібнодисперсні і колоїдні речовини і при сприятливих гідродинамічних умовах осідають на дно відстійника, утворюючи осад.

Утворені в процесі гідролізу сірчану і соляну кислоти слід нейтралізувати вапном або іншими лугами. Нейтралізація утворяться при гідролізі коагулянтів кислот може також протікати за рахунок лужного резерву стічної рідини.

В метою зменшення витрат коагулянтів процес коагуляції слід здійснювати в діапазоні оптимальних величин рН.

Для очищення виробничих стічних вод застосовують різні мінеральні коагулянти.

1. Солі алюмінію. Процес коагуляції солями алюмінію рекомендується проводити при значеннях рН = 4,5 Вё 8. В результаті застосування сульфату алюмінію ступінь мінералізації води збільшується. Алюмінат натрію, оксихлорид алюмінію, полихлоридов алюмінію, алюмокалієві [АlК (SO4) 2 Г— 18H2O] і квасці галун мають меншу вартість і дефіцитність, ніж сульфат алюмінію.

2. Солі заліза. Застосування процесу коагуляції оптимально при рН> 9. Гідроксид заліза - щільні, важкі, швидко осідають пластівці, що є безсумнівним перевагою його застосування.

3. Солі магнію. Хлорид магнію; сульфат магнію.

4. Вапно.

5. Шламові відходи та відпрацьовані розчини окремих виробництв. Хлорид алюмінію (Виробництво етилбензолу), сульфат двовалентного заліза (травлення металів), вапняний шлам та ін

Кількість коагулянту, необхідне для здійснення процесу коагуляції, залежить від виду коагулянту, витрат, складу, необхідного ступеня очищення стічних вод і визначається експериментально.

Утворені в результаті коагуляції опади являють собою пластівці розміром від кількох мікрометрів до декількох міліметрів. Пухка просторова структура пластівців осаду обумовлює їх високу вологість - до 96-99,9%. Щільність пластівців осаду складає зазвичай 1,01-1,03 т/м3. Для знебарвлення висококонцентрованих і інтенсивно забарвлених вод витрати коагулянтів досягають 1-4 кг/м3; обсяг осаду, що виходить в результаті коагуляції, досягає 10-20% об'єму оброблюваної стічної води. Значна витрата коагулянтів, великий обсяг получающегося осаду, складність його обробки і подальшого складування, збільшення ступеня мінералізації оброблюваних стічних вод не дозволяють в більшості випадків рекомендувати коагуляцію як метод самостійної очищення. Коагуляційний метод очищення застосовується в основному при невеликих витратах стічних вод і при наявності дешевих коагулянтів.

Розши...ренню оптимальних областей коагуляції (по рН і температурі) сприяють флокулянти, підвищують щільність і міцність утворюються пластівців, що знижують витрату коагулянтів, що підвищують надійність роботи і пропускну спроможність очисних споруд.

Процес очищення стічних вод методом коагуляції або флокуляції включає приготування водних розчинів коагулянтів або флокулянтів, їх дозування, змішування зі всім об'ємом стічної води, хлопьеобразования, виділення пластівців з неї.

В реагентне господарство на очисних спорудах входять склади для зберігання коагулянтів. В даний час широко застосовується так зване мокре зберігання коагулянтів (у вигляді розчину або кускового продукту в концентрованому розчині) в баках і резервуарах (рис. 4.2), розташовуваних всередині або поза будівлею. Ємності, що розміщуються поза будівлею, слід утеплювати. Розчинення коагулянтів у воді здійснюється в розчинних баках з пристроями для барботажем стисненим повітрям інтенсивністю 4-5 л/с на I м2 площі колосникових грат. Застосовуються також баки з лопатевими і пропелерними мішалками для розчинення відповідно зернистих і кускових матеріалів (Розміром не більше 20 мм).

З розчинних баків розчини коагулянтів перекачують у видаткові баки, а звідти дозують в оброблювану воду за допомогою дозаторів різних конструкцій. Коагулянти вводять в оброблювану стічну воду зазвичай у вигляді 1-10%-них розчинів, а флокулянти - у вигляді 0,1-1%-них розчинів.

Коагулянти змішують з оброблюваної стічної водою в змішувачах, тривалість перебування води в яких складає 1-2 хв. Застосовують перебірчасті, дірчасті, шайбовая і вертикальні змішувачі, а також механічні з пропелерними або лопатевими мішалками. Трубопроводи або лотки, які відводять воду з змішувачів в камери хлопьеобразования і освітлювачі зі зваженим осадом, розраховують на швидкість руху стічної води 0,8-1 м/с і тривалість її перебування в них не більше 2 хв. Після змішування стічних вод з коагулянтами починається процес утворення пластівців, який відбувається в камерах хлопьеобразования. Ці камери можуть бути водоворотних, перебірчасті, вихрові, а також з механічним перемішуванням.

водоворотних камери хлопьеобразования являють собою циліндр, в верхню частину якого із змішувача вводиться стічна вода з обертальної швидкістю на виході із сопла 2-3 м/с. У нижній частині камери перед виходом на відстійник знаходяться гасителі обертального руху води. Тривалість перебування води в камері 15 - 20 хв.

перегородчастої камери можуть бути горизонтальними п вертикальними. У горизонтальній камері (Рис. 3) стічна вода протікає по декількох послідовно сполученим коридорам. Перемішування здійснюється за рахунок восьми - десяти поворотів. Коридори влаштовуються таким чином, щоб швидкість руху води в першому була 0,2 - 0,3 м/с, а в останньому -0,1 м/с. Тривалість перебування води в перегородчастої камерах 20-30 хв. Висота камери визначається висотою відстійника, а ширина коридорів становить не менше 0,7 м.

Вихрова камера хлопьеобразования являє собою конічний або циліндричний розширюється догори резервуар з нижнім впуском стічної води зі швидкістю 0,7-1,2 м/с. Кут нахилу стінок камери до горизонту близько 70 В°. Швидкість висхідного потоку стічної води на рівні випуску 4-5 м/с, тривалість перебування води в камері 6-10 хв.

В камерах хлопьеобразования з лопатевими мішалками тривалість перебування води 20-30 хв, а швидкість руху води 0,15-0,2 м/с.

Рис. 2. Баки для мокрого зберігання коагулянту.

1 - кусковий коагулянт; 2, 3, 4 - подача відповідно води, пари та стисненого повітря; 5 - насос для перекачування розчину у видаткові баки; 6 - випуск в каналізацію; 7 - подача води для змивання води.

Подальше освітлювання стічної води проводиться в горизонтальних, радіальних і вертикальних відстійниках.

Рис 3. Перегородчаста камера хлопьеобразования з горизонтальним рухом оброблюваної стічної води.

1, 2-відвідний канал стічної води і осаду;

3,4 - шибери відповідно для відключення частини коридорів камери і випуску осаду.

Найбільш доцільною є двоступенева схема відстоювання стічних вод. На I ступеня здійснюється просте відстоювання у відстійнику без коагулянту, на II щаблі-обробка стічних вод коагулянтами і флокулянтами з подальшим відстоюванням у відстійнику.

Якщо у виробничих стічних водах концентрації зважених речовин, здатних до агрегації, не перевищує 4 г/л, то застосовують освітлювачі зі зваженим шаром осаду. В освітлювачах відбуваються три основні процеси: змішання, коагуляція і освітлювання стічних вод. Оброблювана в освітлювачах стічна вода проходить знизу вгору через шар раніше виділився шламу з такою швидкістю, при якій зважені частки не несуться з зони зваженого осаду. При русі стічної води через зважений шар збільшується ефект затримання дрібних суспендованих часток. Освітлювачі проектуються круглими (діаметр до 15м) або прямокутними в плані, площа освітлювача не повинна перевищувати 150 м2.

Для забезпечення нормальної роботи освітлювача стічну воду після змішування з коагулянтами направляють в воздухоотделітель, де вона звільняється від бульбашок повітря, що виділяються в результаті реакцій. Протягом 1 год допускається коливання температури не більше ніж на 1 В° С, а витрати - не більше ніж на 10%. Різкі коливання швидкості руху води не допускаються.

Величина висхідної швидкості потоку в зоні освітлення залежить від концентрації зважених речовин. Так, при обробці стічних вод сульфатом алюмінію при вмісті зважених речовин до 400 мг/л розрахункова швидкість висхідного потоку Vрасч = 0,8-1 мм/с, 400-1000 мг/л. Vpac = 1-1,1 мм/с, 1000-2500 мг/л - Vрас = 1,1-1,2 мм/с.

Висота шару зваженого осаду приймається рівної 1,5-2,5 м; висота захисної зони від верху осадкоотводящіх вікон або труб до лотків для збору освітленої води 1-1,5 м; низ осадкопріемних вікон або кромка осадкоотводящіх труб розташовується на відстані 1,5-1,75 м вище переходу похилих стінок освітлювача в вертикальні; кут нахилу до горизонту нижніх частин стінок освітлювачів і осадоущільнювача приймається не менш як 450.

Надлишок шламу, що накопичується в освітлювачі, перетікає під дією різниці густин освітленої води і зваженого шару в осадоущільнювача (освітлювачі з природним відсмоктуванням шламу) або відсмоктується внаслідок різниць рівнів відбору води з робочої камери і ущільнювача (освітлювач з примусовим відсмоктуванням надлишку шламу). Освітлювачі Друга конструкція працюють ефективніше.

Виходячи з концентрації завислих речовин у оброблюваної стічній воді Сі, при відомих розрахункової швидкості висхідного потоку води в зоні освітлення Vрасч, еталонної концентрації зважених речовин у завислому шарі Се (при швидкості руху води 1 мм/с і температурі 20 В° С) і концентрації зважених речовин у осаді, після його ущільнення Сщл (табл. 1), можна визначити витрату води і розміри освітлювача.

Таблиця 1. Параметри для розрахунку освітлювачів зі зваженим шаром осаду

Розрахунковий витрата стічної води Qрасч, м3/ч, що проходить через освітлювач, визначається за формулою

qрасч = Qосв [1 + (Сн - Ск)/СМЛ]. (1)

де Qосв - витрата стічних йод, що виходять з освітлювача, м3/ч;

Ск - Кінцева концентрація зважених речовин у стічній воді, г/м3;

площа осветлителя Focв, м2, з вертикальним осадоущільнювача

Рис. 4. Освітлювачі зі зваженим шаром осаду.

1 - воздухоотделітель; 2 - опускні труби; 3 - Осадко-відвідні труби або вікна; 4 - осадоущільнювача; 5,6 - трубопроводи відповідно випуску осаду та відведення освітленої води з осадоущільнювача.

знаходимо за висловом

fосв = Fз.о. + Fo.у = Qосв [1 + {Ch-Ck// СШЛ] [kp + Ф (1 - kp)] Vрасч (2)

де Fз.о і Fo.y - площа зони відповідно освітлення і осадоущільнювача, м2;

kp - Коефіцієнт розподілу води між зоною освітлення та осадоущільню...вача, рівний:

kp = L-Vрасч (Сн-Cк)/Cе, (3)

Ф - Коефіцієнт підсмоктування освітленої води в осадоущільнювача, рівний 1,15-1,2.

Площа освітлювача з піддоном осадоущільнювача

Рис. 5. Електрокоагуляційний установка

1 - Подача стічних вод; 3 - відстійник; 3 - резервуар; 1-електрокоагулятор; 4 - пакет плоских листових сталевих електродів; 5 - випуск оброблених стічних вод в систему оборотного водопостачання; 6 - випрямляч електричного струму; 7 - випуск осаду.

Fосв - Fз.о + Fотв = Qосв {1 + (Cн - Ск/СШП] [kр/Vраcч + Ф (1-kр)/Vотв], (4)

де Fотв - площа поперечного перерізу осадкоотводящіх труб, м2;

Vотв - Швидкість руху води з осадом в осадкоотводящіх трубах, рівна 90-140 м/год

Обсяг зони накопичення та ущільнення осаду Wз.y (частина обсягу осадоущільнювача, яка розташована на 0,5-0,7 м нижче нижньої кромки осадкоотводящіх вікон або труб) повинен задовольняти умові

Wе.у> = Орасч t (Сн - Cк)/СШЛ (5)

де t-тривалість ущільнення шламу, рівна 3-6 ч.

На рис. 4 наведені конструкції освітлювачів, розроблених ВНДІ ВОДГЕО з піддони (а, б) і вертикальними (в) осадоущільнювача.

Коагуляція вод, що містять дрібнодисперсні і кололідние частинки, може відбуватися при пропуск стічних вод через електролізер з анодом, виготовленим з алюмінію або заліза. Метал анода під дією постійного струму іонізується і переходить в стічну воду, частинки забруднень якої коагулируются утвореними важко розчинними гідроксидами алюмінію або заліза.

Розчинення у воді 1 г алюмінію еквівалентно введенню 6,3 г Al2 (SO4) 3 і 1 г заліза-введенню 2,9 г FеС13 і 3,6 г Fe2 (SO4) 3. Теоретичний витрата електроенергії для розчинення 1 г алюмінію 12 Вт Г— год, а 1 г заліза - 2,9 Вт Г— год Щільність струму рекомендується не більше 10 А/м2, відстань між електродами не більше 20 мм, а швидкість руху води між електродами не менше 0,5 м/с.

Метод електрохімічного коагулювання може бути застосований для обробки стічних вод, що містять емульговані частки масел, жирів і нафтопродуктів, хромати, фосфати. Компактність установок, відсутність реагентного та складського господарства, методу.

На рис.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту referat.ru/