Коагуляция

Коагуляция - это слипание частиц коллоидной системы при их столкновениях в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты - более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления мелких (первичных). Первичные частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей (дисперсионной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и уменьшением их общего числа в объеме дисперсионной среды (в нашем случае - жидкости). Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных - гетерокоагуляцией.

Рис. 1. Строение мицеллы

a) x >0.03; б) x = 0;
А - адсорбционный слой; Б-диффузионный слой; I-ядро

Производственные сточные воды в большинстве случаев представляют собой слабоконцентрированные эмульсии или суспензии, содержащие Коллоидные частицы размером 0,001 - 0,1 мкм, мелкодисперсные частицы размером 0,1 - 10 мкм, а также частицы размером 10 мкм и более.

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 многих производств после сооружений механической очистки представляют собой агрегативно устойчивую систему. Для их очистки применяют методы коагуляции; агрегативная устойчивость при этом нарушается, образуются более крупные агрегаты частиц, которые удаляются из сточных вод механическими методами.

Одним из видов коагуляции является флокуляция, при которой мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под влиянием специально добавляемых веществ (флокулянтов) образуют интенсивно оседающие рыхлые хлопьевидные скопления.

Методы коагуляции и флокуляции широко распространены для очистки сточных вод предприятий химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной, легкой, текстильной и других отраслей промышленности. Эффективность коагуляционной очистки зависит от многих факторов: вида коллоидных частиц; их концентрации и степени дисперсности; наличия в сточных водах электролитов и других примесей; величины электрокинетического потенциала. В сточных водах могут содержаться твердые (каолин, глина, волокна, цемент, кристаллы солей и др.) и жидкие (нефть, нефтепродукты, смолы и др.) частицы.

Для очистки производственных сточных вод применяют различные минеральные коагулянты.

1. Соли алюминия. Сульфат алюминия (глинозем) А1₂(SO₄)_3× 18H₂O (плотность 1,62 т/м³, насыпная масса 1,05-1,1 т/м³, растворимость в соде при температуре 20⁰С-362 г/л). Процесс коагуляции солями алюминия рекомендуется проводить при значениях рН=4,5¸ 8. В результате применения сульфата алюминия степень минерализации воды увеличивается. Алюминат натрия NaAlO₂, оксихлорид алюминия Al₂(OH)₅Cl, полихлорид алюминия [А1₂(ОН)_nСl_6-n]_m(SO₄)_x (где 1<=n<=5m<=10), алюмокалиевые [АlК(SO₄)_{2 ×} 18H₂O] и алюмоаммонийные [Al (NH₄) (SO₄)_{2 ×} 12Н₂О] квасцы имеют меньшую стоимость и дефицитность, чем сульфат алюминия.

2. Соли железа. Сульфат двухвалентного железа, или железный купорос FeSO_{4 ×} 7H₂O (плотность 3 т/м³,насыпная масса 1,9. т/м³, растворимость в воде при температуре 20 °С-265 г/л). Применение процесса коагуляции оптимально при рН>9. Гидроксид железа - плотные, тяжелые, быстро осаждающиеся хлопья, что является несомненным преимуществом его применения. Хлорид железа FeCl_{3 ×} 6H₂O; сульфат железаFe₂(SO₄)₃ × 9H₂O.

3. Соли магния. Хлорид магния MgCl₂ × 6H₂O; сульфат магния MgSO₄-7H₂O.

4. Известь.

5. Шламовые отходы и отработанные растворы отдельных производств. Хлорид алюминия (производство этилбензола), сульфат двухвалентного железа (травление металлов), известковый шлам и др.

Количество коагулянта, необходимое для осуществления процесса коагуляции, зависит от вида коагулянта, расхода, состава, требуемой степени очистки сточных вод и определяется экспериментально.

Образующиеся в результате коагуляции осадки представляют собой хлопья размером от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. Рыхлая пространственная структура хлопьев осадка обусловливает их высокую влажность - до 96-99,9%. Плотность хлопьев осадка составляет обычно 1,01-1,03 т/м³. Для обесцвечивания высококонцентрированных и интенсивно окрашенных вод расходы коагулянтов достигают 1-4 кг/м³; объем осадка, получающегося в результате коагуляции, достигает 10-20 % объема обрабатываемой сточной воды. Значительный расход коагулянтов, большой объем получающегося осадка, сложность его обработки и последующего складирования, увеличение степени минерализации обрабатываемых сточных вод не позволяют в большинстве случаев рекомендовать коагуляцию как метод самостоятельной очистки. Коагуляционный метод очистки применяется в основном при небольших расходах сточных вод и при наличии дешевых коагулянтов.

На рис. 2 приведена схема электрокоагуляционной установки по очистке производственных сточных вод, содержащих нефтепродукты и взвешенные вещества в концентрации соответственно 0,3-7,5 и 0,5-8 г/л. При электрокоагуляции в резервуаре (электрокоагуляторе) через систему плоских стальных электродов, установленных на расстоянии 10 мм друг от друга, пропускается постоянный ток плотностью 0,6 А/дм² под напряжением 10-18 В. При продолжительности контакта сточных вод в электрическом поле 15-30 с и пропускной способности 1,5-3 м³/на 1 м² площади поверхности электродов одного полюса эффективность очистки достигает99 %. Положительные результаты получены также при обработке сточных вод цеха гальванопокрытий, где расход электроэнергии на 1 м³ обрабатываемой сточной воды составляет 0,4-0,5 кВт-ч.

Рис. 2. Электрокоагуляционная установка

1- подача сточных вод; 2- отстойник; 3 - резервуар-электрокоагулятор; 4 - пакет плоских листовых стальных электродов; 5 - выпуск обработанных сточных вод в систему оборотного водоснабжения;
6 - выпрямитель электрического тока; 7 - выпуск осадка.