Коагуляция, флокуляция и электрокоагуляция

В практике очистки сточных вод метод коагуляции часто применяется после удаления грубодисперсных примесей – для удаления коллоидных частиц. Коагуляция – процесс слипания коллоидных частиц и образования грубодисперсной макрофазы (флокул) с последующим её выделением из воды.

Один из видов коагуляции – флокуляция, при которой мелкие взве-шенные частицы под влиянием специально добавляемых веществ (флоку-лянтов) образуют интенсивно оседающие хлопьевидные образования.

Основной процесс коагуляционной очистки сточных вод – гетерокоагуляция, при которой коллоидные (и мелкодисперсные частицы) взаимодействуют с агрегатами, образующимися при введении в стоки коагулянтов.

Основные коагулянты: а) соли алюминия: глинозём Al₂(SO₄)₃ ×18H₂O; алюминат натрия NaAlO₂; оксихлорид алюминия Al₂(OH)₅Cl; полихлорид алюминия [Al₂(OH)_nCl_6-n]m×(SO₄)_x, где 1£ n £ 5m £ 10; б) соли железа: железный купорос FeSO₄×7H₂O; хлорид железа FeCl₃×6H₂O; сульфат железа Fe₂(SO₄)₃×9H₂; в) соли магния: хлорид магния MgCl₂×6H₂O; сульфат магния MgSO₄×7H₂O; г) известь; д) шламовые отходы и отработанные растворы отдельных производств.

Сточные воды смешивают с коагулянтом в специальных устройствах – смесителях в течение 1…3 мин., хлопьеобразование происходит в камерах хлопьеобразования, например, с механическим перемешиванием. Осажде-ние хлопьев и частиц, образовавшихся в результате коагуляции, произво-дится в отстойниках, этот процесс часто называют осветлением стоков, а соответствующие отстойники – осветлителями [18-20].

Согласно современным представлениям [10], основная масса коллоидных частиц имеет одинаковый отрицательный заряд и потому имеет высокую агрегативную устойчивость. Появление в сточной воде положительных ионов способствует нейтрализации электрических полей отрицательных зарядов коллоидных частиц и они теряют свою агрега-тивную устойчивость. В наибольшей степени агрегативную устойчивость частиц понижают ионы и , и это обстоятельство предопределило применение в качестве коагулянтов именно солей железа и алюминия. В последующем практика и теория коагуляции привели к заключению, что в стоки достаточно ввести не соли алюминия или железа, а только ионы и . Это достигается анодным растворением Al или Fe в воде при прохождении через воду электрического тока. Такой процесс коагуляции называется электрокоагуляцией, а соответствующие аппараты – электрокоагуляторами.

Сорбция

Сорбция – процесс поглощения вещества (сорбата) из очищаемой среды твёрдым телом или жидкостью (сорбентом). Поглощение вещества массой жидкого сорбента – абсобция, поверхностным слоем твёрдого сорбента – адсорбция. Если при поглощении происходит химическое взаимодействие сорбента и сорбата, процесс называют хемосорбцией.

При очистке сточных вод в качестве сорбентов применяют искусственные и природные пористые материалы: золу, коксовую мелочь, торф, силикагели, алюмогели, активные глины. Наиболее эффективны активированные угли, пористость которых достигает 75 %, а удельная площадь поверхности – 900 м²/кг. Расход сорбента определяют из соотношения:

,

где - масса сорбента, кг; Q – расход сточной воды, м³/с; C_o и C_к – концентрации примесей до и после прохождения стоками сорбционной установки, кг/м³; а – удельная активность сорбента – количество поглощаемого вещества на единицу массы сорбента, кг/с.

На рисунке 2.6 представлена схема сорбционной установки. Сточная вода поступает в адсорбер 2 по трубопроводу 1. По трубопроводу 4 пода-ётся адсорбент, перемешиваемый со стоками импеллером 3. Адсорбент с поглощёнными примесями оседает на дно адсорбера, откуда удаляется через трубопровод 8. Сточная вода со взвешенными частицами сорбента поступает в отстойник 5, в котором частицы сорбента оседают на дно и удаляются по трубопроводу 7, а очищенная сточная вода направляется по трубопроводу 6 для последующей обработки.

Обычно сорбционная установка представляет собой несколько параллельно работающих секций, каждая из которых состоит из трёх-пяти последовательно расположен-ных фильтров, схема которых представлена на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 – Схема сорбционной установки

Регенерацию сорбентов производят экстрагированием органическими растворителя-ми; отгонкой водяным паром; испарением адсорбированного вещества током инертного газообразного теплоносителя. Вследствие обратимости процессов сорбции их целесообразно использовать для очистки сточных вод от примесей, которые можно использовать повторно в технологическом процессе.

Экстракция

Метод применяется для удаления из стоков примесей, представляю-щих техническую ценность (фенолы, жирные кислоты), основан на распре-делении примеси в смеси двух взаимонерастворимых жидкостей (сточной воды и экстрагента) соответственно коэффициенту экстракции (распреде-ления) К_э = С_э/С_в, где С_э и С_в – концентрации примеси в экстрагенте и в воде при установившемся равновесии. Так, для бутилацетата, который ши-роко используется для удаления из стоков фенола, коэффициент экстрак-ции составляет 8...12. Экстрагент должен иметь следующие свойства: высокий К_э; селективность – способность экстрагировать из стоков одно вещество или определённую их группу; малую растворимость в воде; плотность, отличающуюся от плотности воды; нетоксичность; низкую стоимость и др.

Конечная концентрация С_в экстрагируемого вещества в стоках определяется из соотношения:

,

где С_о – начальная концентрация вещества в стоках, кг/м³; n – число экстракций, В – удельный расход экстрагента для одной экстракции, м³/м³, равный

,

где W – общий объём экстрагента, затрачиваемого на экстракцию, м³; Q – объём стоков, подвергающихся экстракции, м³.

Регенерация экстрагента из сточных вод и из экстракта (раствор примеси, удаляемой из стоков, в экстрагенте) осуществляется водяным паром.

Ионный обмен

Метод (гетерогенный ионный обмен или ионообменная сорбция) основан на процессе обмена между ионами, находящимися в растворе (в сточных водах), и ионами, присутствующими на поверхности твёрдой фазы – ионита. Молекулярная структура ионита содержит матрицу – молекулу нерастворимого органического вещества – и введенную в матрицу функциональную группу, способную обмениваться ионами с очи-щаемым раствором. Наиболее распространены синтетические орга-нические иониты – ионообменные смолы. Иониты разделяются на катиониты и аниониты.

Катиониты – материалы, способные обмениваться катионами, то есть положительными ионами. Их функциональные группы, например, SO₃H – сульфогруппа, СООН – карбоксильная группа. При контакте с водой функциональная группа диссоциирует с отщеплением иона водо-рода. Последний легко может быть вытеснен другим положительным ионом, который, положим, необходимо удалить из сточной воды. Реакция ионного обмена может быть записана в виде:

,

.

Здесь R обозначает комплекс катионитной матрицы и катионитной функциональной группы без обменного иона (одновалентного), R₁ – новый комплекс, образовавшийся в результате объединения двух комплексов R двухвалентным ионом кальция.

Значит, подобный ионообменный фильтр поглощает из раствора ионы Na⁺, Ca²⁺ и т.д., а раствору передаёт ионы водорода.

Аниониты – материалы, способные обмениваться с раствором анионами, то есть отрицательными ионами. По аналогии с катионитами, структура анионита может быть обозначена как ROH, где R – комплекс анионитной матрицы и анионитной функциональной группы.

Примеры реакций обмена:

,

.

Регенерация катионов производится слабыми растворами кислот, например, 1,0…1,5 %-ным раствором серной кислоты:

,

.

Регенерация анионитных фильтров производится обычно 4%-ным раствором NaOH.

Ионный обмен производится в ионообменных фильтрах, которые в общих конструктивных чертах подобны механическим зернистым насыпным фильтрам. При пропускании сточной воды (прошедшей предочистку) через ионообменный фильтр частицы (зёрна) ионитного фильтроматериала расходуют свой ионообменный ресурс, и фронт насыщения ионами, удаляемыми из сточной воды, постепенно перемещается от входа фильтра к его выходу. При «крутом» фронте насыщения имеет место наиболее полное использование ионитного фильтроматериала. При подходе фронта насыщения к выходу насыпного ионообменного фильтра подача сточной воды прекращается, чтобы не допустить проскока через насыщенный фильтр ионов, удаляемых из сточной воды. Насыщенный фильтр подлежит регенерации, а очищаемые сточные воды пропускаются через свежий ионообменный фильтр.

Электродиализ

Этот метод – вариант ионного обмена. Но в нём ионитный слой заменён специальными ионообменными мембранами, а движущая сила – внешнее электрическое поле.

При наложении постоянного электрического поля на раствор в последнем возникает движение ионов растворённых солей, а также Н⁺ и ОН^-. При достижении катода катионы, а также молекулы воды восстанавливаются, например:

.

На аноде происходит окисление анионов:

,

.

Если в электродную ячейку поместить ионообменные мембраны: катионообменную, пропускающую только катионы, - около катода, а около анода – анионообменную, пропускающую только анионы, то объём ячейки разделится на три камеры (рисунок 2.7). В этом случае в катодную камеру из средней могут проходить лишь катионы, мигрирующие к катоду, а в анодную – анионы, мигрирующие к аноду. Значит, концентрация ионов в средней (второй по счёту, чётной) камере будет уменьшаться, в приэлектродных камерах – увеличиваться.

Рисунок 2.7 – Упрощенная принципиальная схема электродиализатора

Если электродную ячейку разделить на множество камер, то половина из них будет обессоливаться (чётные камеры), другая (нечётные камеры) – наоборот, насыщаться. Значит, очищенной от солей является вода (сточная вода) из чётных камер электродиализатора.

Мембраны для аппаратов производят в виде гибких листов прямо-угольной формы или рулонов полимерного связующего с порошком ионообменных смол. Наиболее эффективное использование электродиа-лизаторов – при концентрации солей в сточной воде 3 ... 8 г/л.