VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Сточные воды могут быть различного происхождения: промышленные, сельскохозяйственные, ливнёвые. Каждый тип сточных вод имеет свой набор загрязняющих веществ. Наиболее опасными являются промышленные сточные воды, так как они образуются от переработки органического и неорганического сырья. Неочищенные сточные воды, попадая в поверхностные источники, изменяют их качество: снижают pH, ХПК, повышают содержание тяжелых металлов, неметаллов, ПАВ, повышают мутность воды.

В процессе механической очистки из сточных вод достаточно легко удаляются частицы размером 10 мкм и более, мелкодисперсные и коллоидные частицы практически не удаляются. Таким образом, сточные воды после сооружений механической очистки представляют собой однородную устойчивую систему. Для их очистки применяют методы коагуляции; агрегативная устойчивость при этом нарушается, образуются более крупные агрегаты частиц, которые могут удаляться из сточных вод механическими способами.

Загрязняющие вещества большинства промышленных предприятий могут быть представлены в воде в виде катионов тяжелых металлов или их анионов . В зависимости от того, какие загрязнители преобладают, выбирают ту или иную технологию очистки сточных вод и осадков сточных вод.

Процесс тонкой очистки предусматривает коагуляцию (флокуляцию) и осаждение частиц в двух вариантах: в поле сил гравитации (осаждение, фильтрация) и в поле центробежных сил (центрифугирование).

При выборе технологии необходимо учесть условия ее применимости в каждом случае очистки. Это достигается рассмотрением физико-химических особенностей образования мицелл.

Важно отметить источники образования коллоидных частиц. Используемые в технологии очистки воды коагулянты чаще всего являются солями слабых оснований и сильных кислот (Al₂(SO₄₎₃, FеСl₃ и др.). При растворении они гидролизуются и образуют малорастворимые основания. В воде накапливаются ионы водорода, и раствор приобретает кислую реакцию. Гидролиз соли слабого основания и сильной кислоты протекает по уравнению

или в ионной форме

где Мen⁺ – катион; А^–– анион соли.

Скорость гидролиза можно описать уравнением

(1)

где k_r - константа гидролиза;

[Мen⁺] - концентрация катионов в растворе коагулянта;

[Н₂О] - концентрация воды в растворе.

Из уравнения следует, что скорость гидролиза пропорциональна концентрации катионов коагулянта. Поскольку применяющиеся концентрации растворов коагулянта незначительны, можно считать, что скорость гидролиза коагулянта прямо пропорциональна его концентрации (или его дозе), введенной в воду. С повышением температуры на каждые 10 градусов скорость гидролиза, как и большинства химических реакций, возрастает примерно в 2–4 раза (правило Вант-Гоффа).

Константу гидролиза можно вычислить по уравнению

(2)

Необходимым условием для более полного протекания гидролиза является удаление из сферы реакции образующихся Fе(ОН)₃ или Аl(OH)₃, а также связывание ионов Н⁺в малодиссоциированные молекулы, обычно для этого используют известковое молоко.

Более полному гидролизу подвержены коагулянты, образующие гидроксиды с меньшей константой диссоциации (величиной, характеризующей способность электролитов диссоциировать на ионы) или меньшим произведением растворимости (таблица 1). Приведенные в таблице 1 данные показывают, что гидролиз солей железа (III) должен протекать полнее, чем солей алюминия, и значительно полнее, чем солей железа (II).

Таблица 1 – Растворимость гидроксидов некоторых металлов (при t = 18°С)

Гидроксид	Произведение растворимости	Растворимость
		ммоль/л	г/100 мл Н2О
Al (OH)3	1,9×10-33	2,9×10-9	2,26×10-8
Fe(OH)2	6,3×10-16	4,9×10-6	4,40×10-5
Fe(OH)3	3,8×10-38	2,0×10-10	2,13×10-9

Как следует из уравнения, с увеличением степени гидролиза рН раствора должно уменьшаться. Любое повышение рН раствора обеспечивает полный гидролиз введенного в воду коагулянта.

Хлопья FеСl₃ наиболее интенсивно образуются при рН = 5–7, причем оптимум находится между значениями рН 6,1 и 6,5. Изоэлектрическая точка Fe(ОН)₃ соответствует значению рН несколько большему, чем 6,5. Изоэлектрическая область для Al(ОН)₃, в которой он имеет наименьшую растворимость, соответствует рН=6,5-7,8. Поэтому хлопьеобразование Fe(ОН)₃, в отличие от Аl(ОН)₃, протекает в значительно более широком диапазоне значений рН.

Таким образом, коагуляции подвергаются не коллоидные примеси воды, а о6разующиеся при гидролизе коагулянтов гидроксиды – источники мицеллообразований. Вoдa очищается не в результате коагуляции, а вследствие адсорбции различных коллоидных и высокомолекулярных примесей на поверхности гидроксидов. Процесс коагуляции гидроксидов фактически приводит к удалению отработанного сорбента из очищенной воды.

Соли железа (III) имеют преимущества по сравнению с Al₂(SO₄₎₃. Так, в случае их использования улучшается коагуляция при низких температурах воды; на ход процесса почти не влияет рН среды; ускоряется осаждение с коагулированных частичек; сокращается длительность отстаивания, т.к. плотность хлопьев Fe(OH)₃ больше, чем хлопьев Al(OH)₃.

Недостатком солей железа (III) является необходимость их тщательного дозирования, поскольку нарушение его приводит к проскакиванию железа в очищенную воду.

Хлопья Fe(OH)₃ осаждаются неравномерно, в связи с чем много мелких хлопьев поступает на фильтры. Этот недостаток в значительной мере можно устранить, добавив Al₂(SO₄₎₃ .

В зависимости от pH раствора мицеллообразованиеможет как увеличиваться, так и уменьшаться.

Процесс образования мицеллы золя Fe(OH)₃ из FeCl₃:

При увеличении рН количество увеличивается. Следовательно, эффективность очистки от катионовNi²⁺, Cu²⁺, Cd² повышается. Запишем уравнения взаимодействия коллоидных частиц:

Частицы адсорбируют на себе ионы AsO₄^3–, TeO₃^2–, CrO₄^2–:

С повышением рН количество частиц уменьшается. Следовательно, уменьшается эффективность очистки воды от анионов AsO₄^3–, TeO₃^2–, CrO₄^2–.

Таким образом, при увеличении рН эффективность очистки воды от катионов увеличивается, а от анионов – уменьшается.

Одним из важнейших технологических параметров является доза коагулянта. Ее оптимальная величина зависит от свойств дисперсной системы: температуры, количества взвешенных и коллоидно-дисперсных веществ, цветности, ионного состава среды, значения pH и других свойств.

При недостаточной дозе коагулянта не достигается требуемый эффект очистки, а при избыточной - наряду с перерасходом дорогого реагента иногда может ухудшиться коагуляция. Так, например, если в качестве коагулянта используются соли алюминия, то при определенных условиях

(4,5 >pH> 8,5) отмечается повышенное остаточное содержание алюминия в очищаемой воде вследствие образования растворимых основных сульфатов алюминия при pH< 4,5 или алюмината натрия при pH> 8,5.

Большое влияние на дозу коагулянта оказывает температура (рисунок 1). С уменьшением температуры доза резко возрастает, особенно в случае мутных вод. С уменьшением мутности воды влияние температуры сказывается меньше.

Рисунок 1 - Влияние температуры очищаемой воды на дозу коагулянта

При проведении процесса коагуляции чрезмерное увеличение дозы добавляемого реагента может ухудшить коагуляцию. Коагуляцию коллоидов, загрязняющих воду, можно вызвать добавлением другого коллоида, частицы которого имеют знак электрического заряда, противоположный заряду загрязняющих частиц. При этом происходит взаимная нейтрализация сталкивающихся между собой разноименно заряженных частиц взвеси и коллоида добавленного реагента, приводящая к слипанию частиц, их укрупнению и осаждению.

Не только качественная сторона электролита влияет на коагуляцию, но и количественная – его концентрация. Она, прежде всего, связана со способностью электролита образовывать диффузный ионный слой на своей поверхности.

Рисунок 1 – Зависимость отношения потенциалов на поверхности слоев двойного электрического слоя от величины диффузного слоя

а)KCl; б)Na₂SO₄.

Как видно из графиков, наилучшие результаты показали электролиты с наименьшей концентрацией и наименьшим зарядом.

После того, как определены основные параметры электролита для коагуляции, можно сделать вывод о том, какую технологию применить в данном случае.

При высоких скоростях осаждения и/или большой плотности образующегося золя целесообразно применять осаждение в поле гравитационных сил. Такая коагуляция не применима в центрифугировании из-за возможности образования сгустков осадка, приводящих к расшатыванию ротора центрифуги.Малую скорость осаждения компенсируют центробежными силами.

Из выше сказанного можно сделать вывод, что удобнее на практике применять в качестве коагулянта при осаждении в поле гравитационных сил хлорид железа (III). Его плотность значительно больше, чем у сульфата алюминия, а, следовательно, и скорость осаждения хлопьев. Также он позволяет работать с растворами, pH которых лежит в более широком интервале, чем у сульфата алюминия. Менее подвержен влиянию температуры среды на ход коагуляции.

Сульфат алюминия целесообразно использовать при осаждении в поле центробежных сил. Он обладает меньшей плотностью и скоростью осаждения, что обеспечивает равномерность распределения осадка по шнеку центрифуги и равномерный отвод фугата.

Список литературы

1. Бабенков Е.Д. Очистка воды коагулянтами. - М.: Наука, 1977. – 356

с.

2. Запольский А.К., Баран А.А. Коагулянты и флокулянты в процессах

очистки воды. – Л.: Химия, 1987. – 205 с.

3. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. – М.: Химия, 1989. – 463 с.

Код для цитирования: Скопировать