Файл: Учебное пособие Процессы и аппараты защиты окружающей среды.pdf

106 пройдя через камеру 8 дополнительной очистки, удаляется из флотатора через карман 7 и сливной штуцер 6. Основными элементами флотатора являются плоские электроды, разме- щенные на наклонном днище камеры 3. На них подается на- пряжение не более 20 В. Положительно заряженный электрод
(анод) 1 выполняется в виде сплошной пластины из графита, уложенной на дно камеры 3. Отрицательно заряженный элек- трод (катод) 2, изготавливаемый обычно из коррозионностой- кой стальной сетки с проволочками диаметрами менее 0,3 мм, устанавливается над анодом на расстоянии 6–8 мм.
Рис.2.24. Электрофлотатор
5. Биологическая и химическая флотация. Эти методы применяют для уплотнения осадков сточных вод. В процессе флотации сточных вод образуется пена, имеющая различное строение, обычно пленочно-структурное. Такая пена содержит значительное количество воды, особенно в нижних слоях, а устойчивость и подвижность ее изменяются в зависимости от количества и характера флотируемых материалов. Процесс уплотнения всплывшего шлама наиболее интенсивно идет в первые 2 ч, далее он замедляется, а после 4 ч практически пре- кращается.

107
Процесс уплотнения и разрушения пенного слоя может быть интенсифицирован с помощью брызгалок или нагревани- ем. В большинстве случаев утилизация пенного конденсата экономически нецелесообразна.
2.3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
2.3.1. КОАГУЛЯЦИЯ И ФЛОКУЛЯЦИЯ
Мелкодисперсные примеси (коллоиды) удаляются из во- ды методом коагулирования и флокуляции. Коагулирование – это обработка воды реагентом, приводящая к укрупнению час- тиц с целью ускорения их осаждения.
Коллоидную частицу удерживает во взвешенном состоя- нии ее электрический заряд. В дисперсной системе все колло- идные частицы несут на себе одинаковый по знаку заряд, по- этому происходит взаимное электростатическое отталкивание частиц при сближении их друг с другом. Следовательно, заряд коллоидной частицы препятствует их объединению в более крупные агрегаты и тем самым способствует устойчивости этих систем.
Заряд на коллоидной частице возникает за счет адсорбции ее поверхностью ионов, из раствора. Вещество, находящееся в коллоидно-дисперсном состоянии, образует нерастворимое ядро коллоидной частицы. Это ядро адсорбирует ионы элек- тролита, находящегося в данной системе. Электролит обеспе- чивает устойчивость золя, поэтому он и называется ионным стабилизатором.
Катионы избирательно адсорбируются на поверхности коллоидного ядра, заряжая его положительно. Если адсорби- ровалось nположительных ионов, то в растворе находится n отрицательных ионов. Катион сообщает коллоидной частице положительный заряд, а ее противоионами являются анионы, находящиеся в растворе. Противо-ионы испытывают на себе две силы: электростатическую, притягивающую их к ядру коллоидной частицы, и диффузионную, стремящуюся рассеять

108 их по раствору. В результате совместного действия указанных сил состояние отдельных анионов является неодинаковым.
Часть из них прочно связана с ядром коллоидной частицы, об- разуя на нем плотный адсорбционный слой (n - x).Другая часть образует диффузный слой х – ионную атмосферу части- цы. Аналогично процесс проходит на отрицательно заряжен- ных коллоидов, но в этом случае анионы заряжают поверх- ность отрицательно, а катионы образуют диффузионный слой.
На границе диффузного и адсорбционного слоев пред- ставляет собой двойной электрический слой, слоев возникает разность потенциалов, которую называют электрокинетиче- ским потенциалом или дзета-потенциал.
Величина и знак дзета-потенциала определяются из дан- ных по электрофорезу или электроосмосу, а также и из потен- циалов течения. Порядок этой величины лежит в пределах 50-
70 мВ. В вопросах очистки воды дзета-потенциал имеет боль- шое значение.
Чтобы вызвать коагуляцию коллоидных частиц, необхо- димо снизить величину их дзета-потенциала до критического значения добавлением ионов, имеющих противоположный заряд. Таким образом, при коагуляции происходит дестабили- зация коллоидных частиц вследствие нейтрализации их элек- трического заряда. Эффект коагуляции зависит от валентности иона коагулянта, несущего заряд, противоположный знаку за- ряда частиц. Чем выше валентность, тем более эффективно коагулирующее действие. Для начала коагуляции частицы должны приблизиться друг к другу на расстояние, при кото- ром между ними действуют силы притяжения и химического сродства. Сближение частиц происходит в результате бро- уновского движения, а также при ламинарном или турбулент- ном движении потока воды. Коагулирующее действие солей есть результат гидролиза, который проходит вслед за раство- рением.
В качестве коагулянтов используют бентонит, электроли- ты, растворимые в воде соли алюминия (например Al
2
(SO
4
)
3
), соли железа (например FeCl
3
), полиакриламид.

109
Выбор коагулянта зависит от его состава, физико- химических свойств и стоимости, концентрации примесей в воде, от рН и солевого состава воды.
Соли железа как коагулянты имеют ряд преимуществ пе- ред солями алюминия: лучшее действие при низких темпера- турах воды, более широкая область оптимальных значений рН среды, большая прочность и гидравлическая крупность хлопь- ев; возможность использовать для вод с более широким диапа- зоном солевого состава; способность устранять вредные запа- хи и привкусы, обусловленные присутствием сероводорода.
Однако имеются и недостатки: образование при реакции ка- тионов железа с некоторыми органическими соединениями сильно окрашивающих растворимых комплексов; сильные ки- слотные свойства, усиливающие коррозию аппаратуры; менее развитая поверхность хлопьев.
При использовании смесей сульфата алюминия Al
2
(SO
4
)
3
и хлорного железа FeCl
3
в соотношениях от 1:1 до 1:2 достига- ется лучший результат коагулирования, чем при раздельном использовании реагентов.
В практике, согласно ГОСТ 2919-45, для каждого образца воды оптимальная доза коагулянта устанавливается в лабора- торных условиях.
Помимо выявления необходимой дозы коагулянта и доба- вок щелочи или кислоты, опыты по пробному коагулированию выясняют следующие вопросы: 1) скорость образования хлопьев; 2) кинетику выпадения осадка и 3) кинетику уплот- нения осадка. Эти данные необходимы для рационального проектирования сооружений, в которых проводятся коагули- рование и отстаивание.
Процесс коагулирования можно ускорить добавлением к воде веществ, носящих название флокулянтов. Флокулянтами являются вещества, образующие с водой коллоидные дисперс- ные системы. В отличии от коагуляции при флокуляции агре- гация происходит не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия компонентов адсор- бированного на частицах флокулянта.

110
Для очистки сточных вод используют природные и син- тетические флокулянты. К природным флокулянтам относятся крахмал, эфиры, целлюлозы и др. Активный диоксид кремния
(xSiO
2
·yH
2
O) является наиболее распространенным неоргани- ческим флокулянтом. Из синтетических органических флоку- лянтов наибольшее применение получил полиакриламид
(ПАА). При выборе состава и дозы флокулянта учитывают свойства его макромолекул и природу дисперсионных частиц.
Оптимальная доза ПАА для очистки промышленных сточных вод колеблется в пределах 0,4-1 г/м
3
Механизм действия флокулянтов основан на явлении ад- сорбции молекул флокулянта на поверхности коллоидных час- тиц, на образовании сетчатой структуры молекул флокулянта, на слипании коллоидных частиц за счет сил Ван-дер-Ваальса.
При действии флокулянтов между коллоидными частицами образуются трехмерные структуры, способные к более быст- рому и полному отделению от жидкой фазы.
Оптимальная доза флокулянта устанавливается в процес- се пробной коагуляции. Процесс осветления жидкости с при- менением флокулянта значительно ускоряется, особенно при низкой температуре воды, когда процесс коагуляции очень замедлен или не идет вовсе. Ускорение процесса коагуляции с помощью активированного силиката объясняется тем, что по- следний является коллоидом, несущим отрицательный заряд, а гидроокись алюминия несет положительный заряд. Эти веще- ства взаимно нейтрализуют свои заряды и образуют общие крупные, быстро оседающие хлопья.
Процессы коагулирования и флокулирования, как прави- ло, проводят в сгустителях.

111 адсорбтивом. Адсорбент, насыщенный адсорбтивом называет- ся адсорбатом.
В свою очередь, различают два типа адсорбции – физиче- скую адсорбцию, при которой повышение концентрации сор- бата на поверхности раздела фаз обусловлено неспецифиче- скими (то есть не зависящие от природы вещества) силами
Ван-дер-Ваальса и химическую адсорбцию (хемосорбцию), обусловленную протеканием химических реакций адсорбтива с веществом поверхности адсорбента.
В качестве адсорбентов применяют различные искусст- венные и природные пористые материалы: активированные угли, золу, коксовую мелочь, силикагели, алюмогели, актив- ные глины и другие вещества с высокоразвитой удельной по- верхностью.
Адсорбционные методы широко применяются для глубо- кой очистки сточных вод от растворенных веществ, если кон- центрация этих веществ в воде невелика.
Адсорбцию используют для обезвреживания сточных вод от фенолов, гербицидов, пестицидов, ароматических нитросо- единений, ПАВ, красителей. Достоинством метода является высокая эффективность, возможность очистки сточных вод, содержащих несколько веществ, а также рекуперации этих веществ.
Различают адсорбцию в статических и динамических ус- ловиях.
Адсорбцией в динамических условиях называется про- цесс, протекающий в слое адсорбента при прохождении через него воды.
Адсорбцией в статических условиях называется процесс, протекающий на адсорбенте при добавлении к определенному количеству воды определенного количества адсорбента.
При адсорбции в статических условиях концентрация растворенного вещества снижается до равновесной. При ди- намических условиях в воде, проходящей через слои адсор- бента, концентрация растворенного вещества постепенно сни- жается и динамическая емкость определяется «проскоком»

112 загрязняющего вещества через слой сорбента. Если фильт- рующая загрузка высока, то можно практически целиком уда- лить из воды загрязняющее вещество. Если адсорбирующее вещество является малоценным и стоимость адсорбента невы- сока (опилки, торф, шлак и т. д.), то после очистки адсорбент утилизируется вместе с адсорбированным веществом. Если загрязняющее вещество и адсорбент представляют собой оп- ределенную ценность, то адсорбент подвергается регенерации непосредственной отгонкой адсорбированного вещества, экс- тракцией его каким-либо растворителем или переведением адсорбированного вещества в плохо адсорбируемое производ- ное.
Скорость процесса адсорбции зависит от концентрации, физико-химической природы и структуры растворенных ве- ществ, температуры воды, вида и свойств адсорбента. В об- щем случае процесс адсорбции складывается из 3-х стадий: переноса вещества из сточной воды к поверхности зерен ад- сорбента (внешнедиффузионная область), собственно адсорб- ционный процесс, перенос вещества внутри зерен адсорбента
(внутридиффузионная область). Лимитирующими стадиями процесса может быть внешняя или внутренняя диффузия, либо обе эти стадии.
Адсорбция растворенных веществ – результат перехода молекулы растворенного вещества из раствора на поверхность твердого адсорбента под действием силового поля поверхно- сти. При этом наблюдаются два вида межмолекулярного взаи- модействия: молекул растворенного вещества с молекулами
(или атомами) поверхности адсорбента и молекул растворен- ного вещества с молекулами воды в растворе (гидратация).
Разность этих двух сил межмолекулярного взаимодействия и есть та сила, с которой удерживается извлеченное из раствора вещество на поверхности адсорбента. Чем больше энергия гидратации молекул растворенного вещества, тем большее противодействие испытывают эти молекулы при переходе на поверхность адсорбента и тем слабее адсорбируется вещество из раствора.

113
Во внешнедиффузионной области скорость массоперено- са определяется турбулентностью потока жидкости, которая зависит от скорости жидкости. Во внутридиффузионной об- ласти интенсивность массопереноса зависит от вида и разме- ров пор адсорбента, от форм и размера его зерен, от размера молекул адсорбирующихся веществ, от коэффициента массо- проводности.
Оптимальный процесс адсорбции целесообразно прово- дить при интенсивных гидродинамических режимах, чтобы он лимитировался во внутридиффузионной области, сопротивле- ние которой можно снизить, изменяя структуру адсорбента, уменьшая размеры зерна.
Регенерация адсорбента. Для извлечения адсорбирован- ных веществ могут быть использованы следующие способы: экстрагирование органическим растворителем, изменение сте- пени диссоциации слабого электролита в равновесном раство- ре, отгонка адсорбированного вещества с водяным паром, ис- парение адсорбированного вещества током инертного газооб- разного теплоносителя. В отдельных случаях осуществляют химические превращения адсорбированных веществ с после- дующей десорбцией.
Легколетучие органические вещества (бензол, нитробен- зол, толуол, этиловый спирт) десорбируют воздухом, инерт- ными газами, перегретым паром. При этом температура возду- ха должна быть 120-140°С, перегретого пара – 200-300°С, ды- мовых или инертных газов – 300-500°С. В качестве десорбен- тов могут использоваться низ-кокипящие, легко перегоняю- щиеся с водяным паром органические растворители: бензол, бутилацетат, дихлорэтан, толуол и др. Процесс десорбции осуществляется при нагревании или на холоде, затем раство- ритель отгоняется из адсорбента острым водяным паром или другим теплоносителем. После десорбции пары конденсируют и вещество извлекают из конденсата.
Большую роль адсорбционные явления играют в процессе биологической очистки сточных вод. В любом очистном со- оружении – на полях орошения, полях фильтрации, на био-

114 фильтрах, биоокислителях, в аэротенках и метантенках – пер- вым этапом очистки является адсорбция загрязняющего воду вещества активным илом, активной пленкой или септическим илом. И только вторым этапом является его разрушение (ми- нерализация).
2.3.3. ИОНООБМЕН
Ионообменная очистка применяется для извлечения из сточных вод тяжелых металлов (цинка, меди, хрома, никеля, свинца, ртути, кадмия, ванадия, марганца), а также соединений мышьяка, фосфора, цианистых соединений и радиоактивных веществ. Метод позволяет рекуперировать ценные вещества при высокой степени очистки воды. Ионный обмен широко распространен при обессоливании в процессе водоподготовки.
Вещества, способные к сорбционному обмену ионов с раствором электролита, называются ионитами. Иониты – это твердые зернистые вещества, набухающие в воде, но нерас- творимые в ней.
Применяемые при очистке воды иониты бывают естест- венного и искусственного происхождения. Примером первых могут быть глаукониты и гумусовые угли, а примером вторых
– сульфированные угли и синтетические ионообменные смо- лы.
Глаукониты представляют собой ферроалюмосиликаты аморфного строения, состав которых соответствует следую- щей приблизительной формуле:
(Na
2
O, K
2
O)
x
∙(MgO)
y
∙(Fe
2
O
3
∙Al
2
O
3
)
z
∙(SiO
2
)
n
Перед использованием глауконитовый песок освобожда- ют от посторонних примесей (глины и кварца), обрабатывают при 300- 400°С для придания ему достаточной прочности и водостойкости, и затем подвергают магнитной сепарации для очистки от остатков породы.
Гумусовые угли, используемые для приготовления катио- нитов, должны содержать не менее, 15% гуминовых кислот.