Коагуляция

Коагуляция — это процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты. В очистке сточных вод ее применяют для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ. Коагуляция наиболее эффективна для удаления из воды коллоидно-дисперсных частиц, т.е. частиц размером 3—100 мкм. Коагуляция может происходить самопроизвольно или под влиянием химических и физических процессов. В процессах очистки сточных вод коагуляция происходит под влиянием добавляемых к ним специальных веществ — коагулянтов. Коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают иод действием силы тяжести. Хлопья обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их. Так как коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов — слабый положительный заряд, то между ними возникает взаимное притяжение.

Для коллоидных частиц характерно образование на поверхности частиц двойного электрического слоя. Одна часть двойного слоя фиксирована на поверхности раздела фаз, а другая создает облако ионов, т.е. одна часть двойного слоя является неподвижной, а другая — подвижной (диффузный слой). Разность потенциалов, возникающая между неподвижной и подвижной частями слоя (в объеме жидкости), называется дзета-потенциалом или электрокипетическим потенциалом, отличным от термодинамического потенциала Е, который представляет собой разность потенциалов между поверхностью частиц и жидкостью. Дзета-потенциал зависит как от Еу так и от толщины двойного слоя. Его значение определяет величину электростатических сил отталкивания частиц, которые предохраняют частицы от слипания друг с другом. Малый размер коллоидных частиц загрязнений и отрицательный заряд, распределенный на поверхности этих частиц, обусловливают высокую стабильность коллоидной системы.

Чтобы вызвать коагуляцию коллоидных частиц, необходимо снизить величину их дзета-потенциала до критического значения добавлением ионов, имеющих положительный заряд. Таким образом, при коагуляции происходит дестабилизация коллоидных частиц вследствие нейтрализации их электрического заряда. Эффект коагуляции зависит от валентности иона коагулянта, несущего заряд, противоположный знаку заряда частицы. Чем выше валентность, тем более эффективно коагулирующее действие.

Для начата коагуляции частицы должны приблизиться друг к другу на расстояние, при котором между ними действуют силы притяжения и химического сродства. Сближение частиц происходит в результате броуновского движения, а также при ламинарном или турбулентном движении потока воды. Коагулирующее действие солей есть результат гидролиза, который проходит вслед за растворением. Оптимальную дозу реагента устанавливают на основании пробного коагулирования.

Скорость коагуляции зависит от концентрации электролита. При малых концентрациях электролита эффективность соударений частиц, т.е. отношение числа столкновений, окончившихся слипанием, к общему числу столкновений близка к нулю (|/ = 0). По мере роста концентрации скорость коагуляции увеличивается, но не все столкновения эффективны — такую коагуляцию называют медленной. При у = 1 наступает быстрая коагуляция, при которой все столкновения частиц заканчиваются образованием агрегатов.

Скорость быстрой коагуляции для неподвижной среды при броуновском движении частиц по теории Смолуховского равна:

где пх число агрегатов частиц; К — константа коагуляции; К « ApR « 8pDr, здесь D — коэффициент диффузии одиночных частиц, г — радиус частиц, R — расстояние, на которое должны приблизиться частицы, чтобы произошло их объединение (R ~ 2г);

Количество частиц в единице объема воды за время т для быстрой и медленной коагуляции определяется по формулам

где п0 начальная концентрация частиц; Г1/2 — время коагуляции, в течение которого количество частиц в единице объема уменьшается вдвое; у — коэффициент эффективности столкновений частиц;

Для ламинарного и турбулентного движения потока воды число взаимодействий частиц за единицу времени в единице объема жидкости пл и пт вычисляется по формулам

где пл и пт число взаимодействии частиц за единицу времени в единице объема соответственно для ламинарного и турбулентного движения потока воды; П и п2 число частиц с размером с1л и d2 соответственно; G — скоростной гра-

,п dv _2 -2

диент (G = ^-); и{ и щ — среднеквадратичные скорости двух коагулирующих частиц.

В полидисперсных системах коагуляция происходит быстрее, чем в монодисперсных, так как крупные частицы при оседании увлекают за собой более мелкие. Форма частиц также влияет на скорость коагуляции. Например, удлиненные частицы коагулируют быстрее, чем шарообразные.

Размер хлопьев (в пределах 0,5—3 мм) определяется соотношением между молекулярными силами, удерживающими частицами вместе, и гидродинамическими силами отрыва, стремящимися разрушить агрегаты.

Для характеристики хлопьев пользуются понятием эквивалентного диаметра:

где v — кинематическая вязкость воды; рг — плотность хлопьев: woc скорость свободного осаждения; Кф — коэффициент формы хлопьев.

Плотность хлопьев определяется с учетом плотностей воды рв, твердой фазы рт и объема твердого вещества в единице объема хлопьев 8Х:

Прочность хлопьев зависит от гранулометрического состава образующихся частиц и пластичности. Агломераты частиц, неоднородных но размеру, прочнее, чем однородных. Вследствие выделения газов из воды, а также в результате аэрации и флотации происходит газонасыщение хлопьев, которое сопровождается уменьшением плотности хлопьев и скорости осаждения.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >