Физико-химические методы защиты биосферы. Очистка фильтрационных вод

МЕТОДЫ ОЧИСТКИ сточных вод

ОТ ВЗВЕШЕННЫХ И КОЛЛОИДНЫХ ВЕЩЕСТВ (НА ПРИМЕРЕ ОЧИСТКИ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ВОД)

В практике очистки сточных вод, содержащих высокомолекулярные органические соединения, эмульгированные, мелкодисперсные и коллоид­ ные частицы, широко используются методы коагуляции и флокуляции.

Коагуляцией примесей воды называется процесс укрупнения колло­ идных и взвешенных частиц дисперсной системы, происходящий в резуль­ тате их взаимодействия и объединения в агрегаты. Завершается этот про­ цесс осаждением образующихся агрегатов.

Эффективность процессов коагуляционной очистки сточных вод оп­ ределяется устойчивостью дисперсной системы, которая зависит от ряда факторов: степени дисперсности, характера поверхности мицелл, величи­ ны элсктрокинетического потенциала, наличия в сточной воде других примесей (например электролитов, высокомолекулярных соединений), концентрации примесей и др.

Диспергированные, коллоидные и взвешенные частицы примесей природных и сточных вод в большинстве случаев имеют одинаковые заря­ ды, что обусловливает возникновение межмолекулярных сил отталкивания и их агрегативную устойчивость. Большинство коллоидных частиц при­ родных и сточных вод заряжено отрицательно. К таким коллоидам отно­ сятся кремниевая кислота, мельчайшие глинистые и почвенные частицы, гуминовые соединения и их производные, катионогенные поверхностно­ активные вещества и др.

Поскольку в технологии очистки воды предусматривается частичное или полное удаление примесей, агрегативную устойчивость частичек стре­ мятся разрушить.

Существует несколько способов коагуляции сточных вод, целесооб­ разность применения которых определяется устойчивостью систем, кон­ центрацией примесей, экономическими соображениями. К основным ме­ тодам коагуляционной очистки относится коагуляция электролитами, гетсрокоагуляция (реагентная коагуляция), коагуляция под действием физи­ ческих и химических факторов (перемешивание, нагревание, заморажива­ ние и др.), электро- и гальванокоагуляция.

3.1. Реагентная коагуляция

Реагентная гетерокоагуляция - взаимодействие коллоидных частиц с агрегатами, образующимися при введении коагулянтов, - наиболее часто применяется в практике очистки сточных вод.

Дк - максимальная доза коагулянта, мг/дм3;

Эк - молярная масса эквивалента коагулянта, ммоль-экв/дм3;

2

Щ - минимальная щелочность воды, ммоль-экв/дм Экспериментально установлено, что наибольший эффект очистки

высокоцветных сточных вод при использовании в качестве коагулянта сульфата алюминия достигается в интервале значений pH среды от 6,5 до 8, при использовании хлорида железа (III) - от 7,0 до 8,5, при использова­ нии сульфата железа (II) - от 9,0 до 9,5.

Величина резервной щелочности, которая остается после обработки воды коагулянтом, должна составлять не менее 1 мг-экв/л.

Значения оптимальных значений pH при очистке сточных вод раз­

При введении в воду неорганических коагулянтов происходит сни­ жение агрегативной устойчивости частиц, сорбция ионов на поверхности частиц и образование в результате химической реакции малорастворимого соединения. Выделение твердой фазы (хлопьеобразование) протекает в три стадии: инкубационный период, рост частиц твердой фазы, старение геля. Эти процессы определяют кинетику и эффективность коагуляции.

Инкубационный период обусловлен затруднениями в образовании центров кристаллизации новой фазы. Скорость образования зародышей увеличивается с повышением температуры, ростом пересыщения, умень­ шением величины поверхностного натяжения. Длительность инкубацион­ ного периода зависит от состава раствора, интенсивности перемешивания, температуры, действия внешних электрического или магнитного полей. Перемешивание увеличивает скорость зародышеобразования.

Рост частиц твердой фазы определяется диффузией частиц к поверх­ ности зародыша и введением их в структуру. Первоначально формируются аморфные глобулы гидроксида алюминия или железа. Аморфные частицы геля в процессе старения переходят в кристаллическую форму. Процесс старения гидроксидов алюминия сопровождается образованием агрегатов, чаще всего в виде цепочечных или сетчатых структур, на поверхности ко­ торых адсорбированы коллоидные и мелкодисперсные примеси. В свою очередь, эти цепочки могут прилипать к поверхности грубодисперсных примесей. При этом грубодисперсные примеси являются центрами коагу­ ляции, способствуя не только интенсификации процесса, но и формирова­ нию более крупных и плотных хлопьев, которые быстро выпадают в оса­ док или легко отфильтровываются.

Доза коагулянта для обесцвечивания высокоцветных вод ориентиро­ вочно может быть определена по формуле

где D - доза сульфата алюминия, мг/л,

Ц- цветность воды по хроматокобальтовой шкале, °Ц.

Не существует единой коагуляционной кривой, однако ее характер

одинаков для различных видов очищаемой воды.

При коагуляционной очистке сточных вод одновременно протекают процессы соосаждения, сорбции и ионного обмена. В результате из воды могут удаляться органические вещества, поверхностно-активные вещества (ПАВ), ионы тяжелых металлов.

Для ускорения процесса коагулирования, хлопьеобразования и по­ вышения его эффективности используют флокулянты - высоко­ молекулярные вещества - полиэлектролиты. Механизм действия флокулянтов заключается в их адсорбции на нескольких частицах с образовани­ ем полимерных мостиков, связывающих частицы между собой. Введение флокулянтов приводит к ускорению процесса хлопьеобразования и их осаждению, повышает плотность осадков.

В качестве флокулянтов для очистки природных и сточных вод от окрашенных и коллоидных частиц используют анионные полиэлектроли­ ты, содержащие группы -СООН, -SO3H, -ОН (активная кремниевая ки­ слота, полиакрилат натрия, лигносульфонаты, полиакриламид, праестолы - высокомолекулярные соединения на основе полиакриламида и др.), кати­ онные - полимеры, содержащие группы -NH2, =NH (полиэтиленимин, со­ полимеры винилпиридина), амфотерные, содержащие катионные и анион­ ные группы (гидролизованный полиакриламид).

Анионные флокулянты способны закрепляться на поверхности час­ тиц с помощью водородных связей и химического взаимодействия анио­ нов с катионами, находящимися на поверхности частиц. Катионные поли­ электролиты способны закрепляться благодаря нейтрализации отрицатель­ ного заряда частиц.

На скорость и эффективность флокуляции существенное влияние оказывают концентрация коллоидных частиц, состав сточной воды, пере­ мешивание. Например, процесс флокуляции полиакриламидом активизи­ руется в присутствии гидроксидов кальция и магния. Высокое содержание сульфата калия, карбоната натрия, гидрофосфата натрия резко ухудшает процесс флокуляции.

На процесс флокуляции влияет также молярная масса флокулянта. С увеличением размера макромолекул возрастает количество сегментов, спо­ собных к адсорбции на частицах. Это приводит к образованию более круп­

ность удаления из воды гуминовых соединений. Процесс обескремнивания

иобезжелезивания раствора улучшается при повышении pH.

Воснове гальванокоагуляции (ГК) лежит принцип работы короткозамкнутого гальванического элемента, при этом очищаемая вода обраба­ тывается смесью токопроводящих материалов, один из которых обладает коагулирующей способностью (железо - кокс или углеродсодержащий ма­ териал, алюминий - кокс, железо - медь).

За счет разности электрохимических потенциалов токопроводящих элементов на контакте железная стружка (или алюминиевая) - углеродсо­ держащий материал возникает множество гальванопар, что вызывает ин­ тенсивное окисление и растворение металла, электролиз воды, смещение величины pH, гидролиз и другие физико-химические процессы.

На анодных участках гальванопар возможно протекание следующих реакций:

Образующиеся ионы способны подвергаться гидролизу по схеме:

Ионы Fe2+, гидроксид железа (И) окисляются растворенным в воде кислородом:

4Fe2+ + 0 2 + 2Н20 = 4FeOH2+,

2Fe2+ + | о 2 + ЗН20 = 2Fe(OH)3 + ЗН+,

4Fe(OFI)2 + 0 2 = 4FeOOH + 2Н20.

Образующиеся ионы Fe3+, FeOH2+также подвергаются гидролизу:

Fe3+ + Н20 = FeOH2+ + Н+, FeOH2+ + Н20 = Fe(OH)2+ + н +,

Fe (ОН)2+ + Н20 = Fe(OH)3 + Н+

Подобные процессы протекают при анодном растворении металлов под действием тока. Возможность и полнота протекания этих процессов зависят от pH среды. Гидролиз ионов Fe2+, Fe3+, А13+ сопровождается по­

нижением величины pH. При гидролизе pH может быть рассчитана по сле­ дующей формуле:

(моль/дм3).

Значения pH при гидролизе в зависимости от концентрации ионов в

Образование гидроксидов металлов Fe(OH)3, Fe(OH)2, А1(ОН)3 зави­ сит от величины произведения растворимости (ПР) гидроксидов и концен­ трации ионов в растворе.

Значение pH, соответствующее началу осаждения гидроксидов, мож­

пп

Значения величины pH осаждения гидроксидов в зависимости от концентрации ионов в растворе представлены в табл. 3.1.

В процессе анодного окисления железа возможно образование целого ряда соединений, гидратированных и комплексных ионов: Fe2+, Fe3+, FeOH\ Fe(OH)2, FeOH2+, Fe(OH)3, Fe(OH)2+, Fe(OH)4~, термодинамическая

зованием ионов Fe2+ и Fe3+. Она находится в пределах значений pH = 0...9 и значений ф = -0,60...+ 0,8 В. На диаграмме также штриховыми линиями показана область термодинамической устойчивости воды. Диаграмма Пурбе позволяет оценить термодинамически вероятное поведение металлов в водных растворах, установить пределы потенциалов и pH, внутри которых данный металл будет устойчив, и обосновать, за счет какой реакции (выде­ ление водорода или восстановление кислорода) идет растворение металла.

Расчеты показывают, что окисление железа будет наиболее полно протекать при pH 1-4, а процессы его гидролиза и осаждения в виде гид­ роксидов при pH 6-12.

Кокс или другой углеродсодержащий материал в гальванопаре поля­ ризуется катодно. В присутствии кислорода на катоде могут протекать реакции: 2Н20 + Ог + 4е = 40Н" 2Н20+ 4е = Н2 + 40Н~ • 2Н++2е-» Н2.

Катодные процессы сопровождаются повышением pH среды и спо­ собствуют образованию гидроксидов металлов.

Полнота протекания электрохимических процессов в гальванопаре будет определяться разностью электродных потенциалов кислорода и ме­ талла. Плотность тока в поле гальванопары зависит от материалов катод­ ных и анодных участков.

Некоторые особенности кинетики процесса гальвано- и электро­ коагуляции. Электрохимическая реакция является сложным процессом, состоящим из ряда последовательных или параллельных электрохимиче­ ских, химических, сорбционных и диффузионных стадий. Скорость про­ цесса определяется лимитирующей стадией.

Скорость непосредственно электрохимической реакции (плотность тока) зависит от концентрации и температуры раствора, условий переме­ шивания, материала электродных участков и адсорбции на них веществ из раствора.

Под действием тока происходит поляризация электродных участков. В зависимости от природы лимитирующей стадии различают диффузион­ ную, химическую, электрохимическую и фазовые поляризации, или пере­ напряжения.

В короткозамкнутых элементах, характерных для гальванокоагуля­ ции, диффузионная стадия практически не лимитирует процесс. В этом случае наибольшее значение имеет электрохимическая поляризация, воз­ никновение которой обусловлено нарушением электродного равновесия и смещением потенциала электрода от его равновесного значения при пере­ носе заряда через границу раздела фаз между электродом и раствором. При катодной поляризации происходит смещение потенциала электрода в от­ рицательную область значений, при анодной - в положительную.