Механизм флокуляции и факторы влияющие на флокуляцию

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
1. МЕХАНИЗМ ФЛОКУЛЯЦИИ
1.1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ФЛОКУЛЯЦИИ
1.2 МЕХАНИЗМ ФЛОКУЛЯЦИИ
1.3 ТИПЫ ФЛОКУЛЯНТОВ
2. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ФЛОКУЛЯЦИЮ
2.1 ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ФЛОКУЛЯЦИЮ
2.2 РАСТВОРЫ И ДОЗИРОВАНИЕ ФЛОКУЛЯНТОВ
2.3 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ВОДЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ И ИСТОЧНИКОВ

Механизм флокуляции и факторы влияющие на флокуляцию

3.14 m2
180 час.
Коллоидные вещества
0.0001
0.1
31.4 m2
755 дней
Растворенные в воде примеси.
Имеющиеся данные показывают, что в присутствии гидроксидов кальция и магния процесс флокуляции полиакриламидом активизируется. Хлорид калия и кальция, а также карбонат калия практически не влияют на процесс флокуляции. Большое содержание (более 1-4 г/л) таких солей, как Na2CO3, K2SO4, Na2HPO4, Fe(NH4)(SO4)2*12H2O, Na2SO3, NaOH, Ca(NO3)2, резко ухудшает процесс флокуляции полиакриламидом12.
По-видимому, органические вещества, адсорбируясь на частицах дисперсной фазы влияют на сорбцию макромолекул флокулянта. Например, установлено, что этиловый спирт и керосин оказывают отрицательное влияние на процессы хлопьеобразования.
В настоящее время не имеется данных, позволяющих прогнозировать влияние различных органических примесей сточных вод на процессы флокуляции.
Перемешивание.
Эффективность процесса флокуляции, размер и плотность образующихся хлопьев в большой степени зависят от интенсивности и продолжительности перемешивания. Интенсивное перемешивание сокращает время достижения адсорбционного равновесия, н при этом уменьшается количество адсорбированного флокулянта, а также разрушается часть образующихся при флокуляции агрегатов. Размер устойчивых хлопьев, определенный Ла Мером из условия, что скорости их образования и разрушения равны, определяется уравнением
R=Kn2Q2(1-Q)2
где К – коэффициент; n - число частиц в единице объема жидкости; Q - часть поверхности частиц, занятой адсорбированными молекулами флокулянта; (1-Q) - свободная поверхность.
Из уравнения следует, что размер устойчивых хлопьев зависит от доли поверхности частиц Q, занятой макромолекулами флокулянта. С увеличением Q размер устойчивых хлопьев возрастает и при некоторых оптимальных дозах флокулянта достигает максимального значения.
Изменение структуры хлопьев при перемешивании происходит вследствие: а) более равномерного распределения макромолекул флокулянта, прикрепления большого числа подвижных сегментов к большему числу частиц; б) адсорбции свободных сегментов на тех же частицах и сокращения длины полимерных мостиков; в) разрушения агрегатов с укороченными мостиками с последующей адсорбцией макромолекул на освободившейся поверхности частиц.
Очевидно, что в начальный момент перемешивания большее значение имеет первый процесс, в результате которого образуются относительно крупные хлопья. При последующем перемешивании доминируют второй и третий процессы. Это подтвердили экспериментальные исследования, показавшие, что с увеличением среднего градиента скорости G происходит сначала увеличение, затем уменьшение размера хлопьев.
Показано также, что прибавление небольшого количества флокулянтов резко увеличивает прочность хлопьев, которая оценивалась по величине градиента скорости, необходимого для полного разрушения хлопьев.
Количество и молекулярная масса флокулянта.
При оптимальном количестве добавленного флокулянта образуется не связанные между собой агрегаты, способные к быстрому осаждению. При очень малых и больших количествах полимера может наблюдаться не флокуляция, а, наоборот, стабилизация дисперсной системы. При избыточном количестве флокулянта в воде может также образоваться густая сетка ассоциированных молекул полимера, препятствующая сближению и агрегации частиц суспензии.
На процесс флокуляции оказывает влияние размер макромолекул флокулянта (молекулярная масса). С увеличением размера макромолекул возрастает количество сегментов, способных к адсорбции на частицах. Это приводит к образованию более крупных агрегатов. Однако значительный рост молекулярной массы флокулянтов увеличивает стерические затруднения13.
Наиболее эффективная флокуляция должна наблюдаться при определенном соотношении между размерами частиц и макромолекул полимера. Для обычно применяемых диапазонов молекулярных масс полимеров (до нескольких миллионов) увеличение размеров макромолекул приводит к снижению оптимальной дозы полимера. При значительном различии в размерах частиц и макромолекул флокуляция затрудняется.
Влияние других факторов.
Обычно флокулянты (например, полиакриламид) действуют в широком интервале рН воды. В средах с различным значением рН образуются неодинаковые по размерам и плотности флоккулы. Так, при флокуляции угольных шламов анионным полиэлектролитом – полиакриламидом, наиболее плотные флокулы образуются при рН=5-7. Скорость осаждения флокул при этом значении рН оказалась наибольшей, а объем осадка – наименьшим.
Оптимальный диапазон рН для разных флокулянтов различен. Например, гидролизованный полиакриламид следует использовать в кислой или щелочной средах, натриевые соли полиакриловой и полиметакриловой кислот – в области рН=3-7 и т.д.
Коагулянты на основе металлов особенно чувствительны к величине рН и щелочности. Если значение рН не соответствует заданным пределам, то качество осветления воды будет низким, а железо и алюминий в такой воде могут стать растворимыми, создавая водопользователю определенные проблемы. Чем ниже дозировка коагулянта, тем выше чувствительность флокул к изменению значения рН.
Температура, очевидно, должна оказывать влияние на процесс флокуляции, хотя в тех диапазонах температур, в которых осуществляется коагуляционная и флокуляционная очистка природных и сточных вод, заметного влияния ее на процесс флокуляции не обнаружено. Тем не менее при низких температурах воды (0-100С) рекомендуется применять флокулянты, резко ускоряющие образование хлопьев, при этом, например, дозу активной кремниевой кислоты при температуре менее 3-70С следует повысить в 1,5 раза14.
На эффективность очистки воды может оказывать влияние последовательность введения коагулянта и флокулянта. Обычно предварительная коагуляция дисперсной системы с последующей флокуляцией обеспечивает более высокую степень очистки. Предварительное введение в сточную воду флокулянта может привести к снижению скорости кристаллизации коагулянта, а также уменьшению размеров образующихся кристаллов. В результате снизится эффективность очистки, а также увеличится объем и влажность образующихся осадков. Вводить флокулянт в сточную воду целесообразно после завершения коагуляции коллоидных примесей (обычно через 0,5-5 мин после введения коагулянта).
Следует отметить, что в некоторых случаях последовательность введения коагулянта и флокулянта не оказывает существенного влияния на очистку сточных вод.
2.2 РАСТВОРЫ И ДОЗИРОВАНИЕ ФЛОКУЛЯНТОВ
Растворение флокулянтов происходит, как правило, в две стадии. Вначале гель или порошок (гранулы), растворяются до 1%-ной концентрации. Полученный концентрированный раствор перед использованием разбавляется до 0,05-0,1%-ной концентрации.
Исследования показали наличие зависимости технологических свойств флокулянтов, в частности вязкости его растворов, от условий растворения. Чем больше частота вращения ротора мешалки, тем меньше время полного растворения и меньше относительная вязкость раствора.
Установлено, что скорость седиментации флокул, образующихся при обработке суспензии полиакриламидом (ПАА), растворенным при частоте вращения ротора мешалки 100 об/мин., в 2-3 раза выше, чем при использовании ПАА, раствор которого приготовлялся при частоте вращения ротора мешалки 1000 об/мин. Поэтому применение центробежных насосов в качестве перемешивающих устройств для приготовления растворов флокулянтов на ОФ нежелательно, так как частота вращения турбинок насосов превышает 1000 об/мин. Более рационально применение пропеллерных мешалок с частотой вращения пропеллера не более 500 об/мин и пневматических устройств15.
Вторая стадия растворения (разбавление концентрированного раствора флокулянта) осуществляется на ОФ в резервуарах большой вместительности с использованием центробежных насосов для перемешивания раствора путем его многократной циркуляции.
В еще большей степени при длительном хранении снижается активность растворов флокулянтов. При использовании (0.1 и 0.05 %)-ных растворов ПАА на 8-13 сутки после его растворения скорость осветления суспензии снижается в 2 раза даже в случаях хранения испытываемых растворов в благоприятных условиях – в темном помещении и при плюсовой температуре.
Концентрация водородных ионов (рН среды), при которой производится растворение, выбирается в зависимости от условий применения полимерных флокулянтов. Как правило, на ОФ для растворения используется техническая вода с практически нейтральной средой. Часто применяется также щелочной гидролиз флокулянтов. При гидролизе ПАА щелочь добавляется на первой стадии растворения в количестве 0.0375 кг на 1 кг 8%-ного флокулянта и перемешивается до полного растворения. Полученный раствор выдерживают 16 часов при температуре 50-80 С16.
Концентрация водородных ионов в оборотных водах ОФ близка к нейтральной, что, как правило, благоприятно для применения полимерных флокулянтов с различной ионной активностью.
С повышением степени дисперсности частиц в суспензии, при прочих равных условиях, повышается расход полимерных флокулянтов, необходимый для получения заданного технологического эффекта.
Крупность флокулируемых частиц должна учитываться при выборе полимерного флокулянта с молекулярной массой, оптимальной для данных условий. Если размеры твердых частиц и макромолекул сильно различаются между собой, то вслед за адсорбцией последних флоккулы не образуются. Следовательно, для наиболее высокодисперсных частиц эффективными должны быть полимерные флокулянты с низкой (< 10 ) или средней (10 -10 ) молекулярной массой.
Концентрация твердой фазы в обрабатываемых суспензиях изменяется от 20-50 кг/м (отходы флотации, сгущенные перед центрифугированием; флотоконцентраты, направляемые на фильтры). При сгущении шламов в осветительных устройствах, действие которых основано на использовании силы тяжести (сгустители, отстойники), применение флокулянтов оказывается неэффективным, если концентрация твердого превышает в среднем 100 кг/м . В центрифугах, где сфлокулированный осадок уплотняется центробежной силой, содержание твердого в суспензиях, обрабатываемых флокулянтами, может достигнуть 400 кг/м . повышение концентрации суспензии до 500 кг/м и более оказывается целесообразным и при их фильтровании.
Свойства поверхности – один из определяющих факторов адсорбции полимеров и мостиковой флокуляции. Электрокинетический потенциал минерализованных шламов имеет всегда отрицательное значение. Величина заряда обычно колеблется в пределах 20-30 мВ17.
Жидкая фаза суспензий в качестве среды для мостиковой флокуляции характеризуется солевым составом. Наличие неорганических солей повышает эффективность мостиковой флокуляции. Однако, имеют место количественные ограничения: в растворах с содержанием солей более 0,5% положительный эффект исчезает: замедление седиментации флоккул становится особенно заметным при повышенных расходах флокулянта. Следовательно, во флоккулируемой системе может возникнуть сочетание условий, при которых дополнительное «подсаливание» жидкой фазы суспензии является отрицательным фактором. Отрицательно влияет на флокуляцию присутствие в оборотной воде ионов двухвалентного железа.
Температура среды, в которой происходит флокуляция, влияет на вязкость жидкой фазы, на ее поверхностное натяжение и условия адсорбции полимеров. Скорость седиментации флоккул отходов флотации при понижении температуры, как показали эксперименты, снижается лишь в незначительной степени, примерно адекватно увеличению вязкости среды.
Жесткость воды, обусловленная наличием солей Са и Мg , относится к числу факторов, способствующих адсорбции полимеров и их флокурирующему действию.
Наряду с физико-химическими характеристиками дисперсной системы и полимера, определяющую роль в процессе флокуляции играют условия их контакта.
Дозировка полимерных флокулянтов зависит от технологической операции, для интенсификации которой они используются. А типы самих полимеров, свойств обрабатываемых продуктов и ряда других факторов.
Точка подачи флокулянтов выбирается в зависимости от концентрации твердого в суспензии. При обработке суспензий, в которых концентрация твердой фазы более 40-50 кг/м и представлена в основном классами < 60-70 мкм, флокулянт следует вводить на сравнительно не большом удалении – 3- 5 м от обезвоживающего или осветляющего устройства. В более разбавленные и крупнодисперсные суспензии полимерные флокулянты рекомендуется подавать за 8 -10 м от осветлителя (фильтра, центрифуги)18.
Способ подачи, так же как и точки подачи, уточняется эксперимнетально. Наиболее эффективна пульверизация или дробная (несколькими струями) дозировка флокурирующего раствора.
Способ смешивания рабочих растворов флокулянтов с суспензией имеет большое значение для достижения максимального технологического эффекта при экономном расходовании полимера. Учитывая, что адсорбция молекул флокулянта происходит практически мгновенно, необходимо обеспечить их равномерное распределение в объеме суспензии в момент поступления. В общих чертах практически все рекомендации относительно способа смешивания заключаются в том, что флокулянт вводится в зону умеренной турбулизации взвесенесущего потока, после чего должно быть обеспечено спокойное (ламинарное) течение флоккул от места смешивания к аппарату или устройству.
2.3 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ВОДЫ
Загрязняющие вещества могут присутствовать в воде в различных формах: коллоидной, суспензионной и растворенной. Эти виды загрязнения невозможно удалить с помощью DAF/DGF или путем осаживания. Необходимо проводить физико-химическую предварительную обработку для создания возможности их разделения. Это можно достигнуть, используя метод коагуляции и/или флокуляции.
Таблица 2. Область применения физико-химических способов очистки сточных вод19
Показатель качества воды
Способ очистки
Мутность
Обработка флокулянтами
Цветность, органические
вещества, планктон
Хлорирование, озонирование, коагулирование,
обработка флокулянтами
Привкус, запах
Углевание, хлорирование, озонирование,
преаммонизация, обработка перманганатом калия
Избыток солей жесткости
Декарбонизация, известково-содовое умягчение, ионный обмен
Наличие сероводорода
Подкисление, аэрация, хлорирование, коагулирование
Повышенная кислотность
Подщелачивание
Повышенная щелочность
Подкисление, фосфатирование
Фенол
Обработка пераксидозой и перекисью водорода
Нефтепродукты
Обработка химическими реагентами, коагуляция порошками
Избыток железа
Аэрация, хлорирование, подщелачивание, коагулирование,
обработка перманганатом калия, катионирование
В данном процессе можно выделить два последовательных этапа:
1. Перкинетическая флокуляция или коагуляция
Коагуляция вызывается путем дозирования коагулянта, который обладает электрическим зарядом, противоположным заряду частиц загрязняющих веществ. Затем в результате Броуновского движения происходит соединение очень маленьких частиц, и образуются микроскопические хлопья. Этот процесс протекает достаточно быстро и длится меньше секунды.
2. Ортокинетическая флокуляция
Это сравнительно медленный процесс, протекающий в флокуляторе. Добавляется хлопьеобразующий агент (флокулянт) при этом происходит взбалтывание воды, вызывая градиенты скорости. Градиенты скорости заставляют маленькие хлопья соединяться, благодаря чему образуются более крупные хлопья. На начальном этапе флокулятора градиенты скорости, или значения G должны быть как можно выше для увеличения столкновений между микрохлопьями, способствующих рост хлопьев. В процессе развития флокуляции, значения G необходимо постепенно снижать для предотвращения разрыва хлопьев, вызываемого нежелательными избыточными поперечными силами20.
С другой стороны, значения G не должны становиться слишком низкими, поскольку это приводит к образованию слабых хлопьев.
Тип используемых химикатов и их оптимальную дозировку можно определить лабораторным испытанием: испытание в сосуде. Это испытание проводится в нескольких стеклянных мензурках, оборудованных мешалками, движимыми моторами с изменяемыми скоростями. Помимо типа химикатов и дозировок, с помощью испытания можно определить параметры, на которых основывается конструкция флокулятора. 
В широко применяемых установках обработки воды флокуляция обычно создается в одном или более баковых реакторах с постоянным помешиванием или в длинных каналах, оборудованных мешалками. В этих типах флокуляторов возникают эффекты возмущающего короткого замыкания и обратного смешивания. Вследствие чего часть воды, выходящей из флокулятора, обрабатывается неоправданно долгое время. Кроме этого, структуры турбулентного потока в данном реакторе вызывают большое разнообразие градиентов скорости, например, вихревую турбулентность на концах мешалки.
Данное сочетание различных времен осаживания и неконтролируемых значений G является основным фактором, влияющим на рост возмущенной флокуляции. Структура хлопьев, их размер и форма будут сильно различаться, препятствуя последующему разделению на сепараторах DAF/DGF или осаживанию. Для устранения этих отрицательных характеристик, время удержания во флокуляторах обычного типа от 3 до 5 раз дольше времени удержания, которое достигается при испытании в сосуде. Типы флокуляторов представлены на рис. 2 и 3.
 
1. Впуск неочищенной воды
2. Ферма со скребком
3. Зона флокуляции
4. Очищенная вода
5. Удаление осадка
Рис. 2 Отстойник флокулятор
1. Быстрая мешалка
2. Камера флокуляции
3. Вращающаяся лопасть
4. Задвижка выпуска осадка
5. Камера осаждения
6. Очищенная вода
Рис.3. Механический флокулятор- горизонтальный отстойник
Достоинство высокомолекулярных флокулянтов – их высокая эффективность при малых дозах. При этом минерализация очищаемой воды не изменяется, что имеет большое значение как при создании замкнутых систем водоснабжения, так и при сбросе очищенных сточных вод в водоемы. Современное использование коагулянтов и флокулянтов позволяет в ряде случаев достичь установленных нормативов качества очистки воды, сбрасываемой в водоем. Совершенствование технологии получения коагулянтов и флокулянтов позволит еще более расширить использование этих реагентов для очистки сточных вод. Большие резервы интенсификации метода коагуляции и флокуляции связаны как с более глубокими исследованиями механизмов явлений, сопровождающих эти процессы, так и с более эффективным использованием различных физических воздействий.21
Значительного повышения эффективности реагентного способа можно добиться оптимизацией технологии очистки, предусматривающей смешение реагентов с водой, а также подбором используемых коагулянтов и флокулянтов. Эффективность реагентного способа очистки воды, в частности с использованием коагулянтов, можно повысить, установив более строгий контроль за расходом реагентов в зависимости от количества загрязнений, присутствующих в сточных водах, и физическо-химических характеристик этих загрязнений, в первую очередь от их заряда, характеризуемого ξ- потенциалом. Внедрение автоматизированного контроля за расходом реагентов позволит повысить не только степень очистки воды, но и снизить расход реагентов. Эффективность реагентного способа можно также повысить, применяя физические воздействия на обрабатываемую воду и водные системы (например, электрические и магнитные поля, ультразвук, радиацию и другие способы). Однако внедрение этих методов интенсификации коагуляции и флокуляции тормозится недостаточностью изученностью процессов, протекающих на молекулярном и ионном уровне.