Коагуляция-флокуляция. Немного о сути процессов

Цель водоочистки состоит в том, чтобы удалить взвешенные частицы и коллоидные материалы из водных запасов и из сточных вод. Плотные твердые взвеси типа песка могут быть легко удалены выделением осадка. Проблемы в разделении возникают с менее плотными взвешенными частицами и коллоидным материалами. Мелкие, менее плотные частицы могут быть удалены выделением осадка только при более длительном промежутке времени, что неприемлемо во многих ситуациях. Коллоидные материалы формируют очень устойчивые водные суспензии. Коллоидные частицы могут содержать глину и ил, окрашенные частицы, железо, которое осаждается или окиси марганца, бактерии и морские водоросли. Процессы обработки типа смягчения известью проводят к образованию коллоидного карбоната кальция или других частиц, требующих осаждения. Часто, многие разновидности коллоидов образуются во время вторичных биологических процессов разделения. Потребность в воде и осветлении сточных вод существует в большинстве случаев, когда имеет место водная регенерация.

Коагуляция и флокуляция - механизмы, с помощью которых взвешенные и коллоидные вещества удаляются из воды в процессе осветления. Коагуляция может быть определена как нейтрализация зарядов, которая сводится к дестабилизации взвешенных частиц в коллоиде размером (1-500 мкм), что приводит к их скоплению. Коллоидные частицы имеют отрицательный электрический заряд. Этот общий отрицательный заряд стабилизирует суспензии благодаря действию отталкивающих сил между частицами. Поскольку отрицательный заряд, который имеет каждая частица, нейтрализован, то резко сокращается эффективный диаметр частицы. Можно легко визуализировать скопление частиц, которое может произойти в результате естественного столкновения частиц, при медленном перемешивании, когда заряд нейтрализован, и эффективный диаметр частиц уменьшен.

Теоретически, коагулянты могут также применяться для нейтрализации положительного заряда, который имеют взвешенные в воде частицы. Однако, в большинстве вод, требующих нейтрализации, должен быть нейтрализован отрицательный заряд. Поэтому, коагулянты применяются только к катионным химикатам.

Степень скопления частиц под действием коагулянта не может быть предсказана. В некоторых случаях очень маленькие количества частиц могут собираться и образовывать микрофлокулу. Взвешенные вещества могут и не скапливаться с достаточной эффективностью без использования флокулянта. Высокая плотность макрофлокулы позволяет не использовать дальнейшую обработку, в то время как низкая плотность макрофлокулы требует применения флокулянта, необходимого для более полного осветления.

Флокуляция может быть определена как механизм, который позволяет скапливаться микрофлокулам или макрофлокулам с низкой плотностью в флоккулы, которые осаждаются значительно быстрее и улучшить качество очищенной воды.

Неорганические коагулянты использовались, для очистки воды в течение многих лет. Трехвалентные ионы типа алюминия и железа уплотняют коллоидные взвеси нейтрализацией заряда и осаждают их. Поэтому кроме их способности коагулировать они также способны к дальнейшей флокуляции в связи с их способностью образовывать нерастворимые гидроксиды при соответствующих уровнях pH. Эти нерастворимые гидроксиды улавливают дестабилизированные частицы, которые находятся в воде под действием силы тяжести.

Полимерные коагулянты, или класс полиэлектролитов, с относительно низким молекулярным весом (по сравнению с полимерными флокулянтами) и высокой плотностью положительного заряда находят широкое применение в качестве коагулянтов при осветлении вод. Полимерные коагулянты также имеют некоторую флокулирующую способность, обусловленную их механизмом не схожим с механизмом неорганических коагулянтов. Флокулирующие способности полимерного коагулянта связаны с их молекулярным весом, который является очень высоким по сравнению с неорганическими коагулянтами.

Молекулярный вес, в связи с этим, может быть определен из длины цепи полимера. Чем больше молекулярный вес, тем больше длина цепи и лучше флокулирующие способности. Более длинная цепь позволяет присоединять большие количества частиц. Однако полимерные коагулянты имеют относительно низкие молекулярные веса и флоккулирующую способность по сравнению с высоким молекулярным весом катионных, нейтральных и анионных полимерных флокулянтов. Поэтому, полимерные коагулянты способны улучшить степень очистки только до определенного уровня.

Много вод и сточных вод обрабатываются с использованием или неорганических или полимерных коагулянтов при этом требуется достигнуть требуемых показателей качества. Увеличение флокулирующей способности может быть обусловлено более высоким молекулярным весом катионных, нейтральных или анионных флокулянтов. Флокулянты могут быть описаны с точки зрения их способности присоединять микрофлокулы, образующие больший, более плотный и быстро оседающий осадок для достижения лучшего результата водоочистки.

Трудно утверждать какой из флокулянтов: катионный, нейтральный или анионный обеспечит лучший результат. Из-за этой непредсказуемости, с целью обеспечения более экономного водоосветления незаменимым является исчерпывающий анализ для выбора необходимых коагулянтов и флокулянтов.

Предыдущее обсуждение было посвящено выделению осадка, проводимого в осветлительном оборудовании различной конструкции. Та же самая модель может использоваться при разработке химической системы очистки для эффективного осветления путем растворимой воздушной флотации. Сначала, существующие твердые, взвешенные вещества в виде микрофлокул отделяются от водной фазы. Эти частицы в общем случае могут образовываться и увеличиваться путем нейтрализации заряда и дестабилизации суспензии коагулянтами. Как только это произошло флокуляция частиц может быть проведена полимерными флокулянтами. Эти вещества используются, чтобы получить флокулу, к которой прилипнут пузыри воздуха и будут всплывать на поверхность.

В очистных сооружениях в настоящее время используют неорганические коагулянты, поскольку предъявляемые к ним требования не позволяют экономически выгодно заменить неорганические флокулянты полимерными. Однако частичная замена неорганических коагулянтов полимерными может быть выгодна в связи с легкой химической обработкой и с целью понижения производства твердых материалов. Полная замена неорганических коагулянтов полимерами становится банальностью в связи с развитием коагулянтов с более высокой плотностью заряда.