Влияние различных факторов на процесс флокуляции

На скорость и эффективность процесса флокуляции существенное влияние оказывают многие факторы: концентрация частиц и свойства их поверхности, растворенные в воде примеси, перемешивание, последовательность введения коагулянтов и флокулянтов и др.

Расход флокулянта зависит от суммарной удельной поверхности частиц дисперсной фазы. При неизменном размере частиц сохраняется пропорциональная зависимость между оптимальной дохой флокулянта и концентрацией твердых частиц. Опыты с глинистыми и латексными частицами разной степени дисперсности показали, что оптимальная доза флокулянта обратно пропорциональна квадрату радиуса частиц. Значительное возрастание сте6ппени дисперсности обуславливает увеличение стерических затруднений, снижающих эффективность флокуляции.

Имеющиеся данные показывают, что в присутствии гидроксидов кальция и магния процесс флокуляции полиакриламидом активизируется. Хлорид калия и кальция, а также карбонат калия практически не влияют на процесс флокуляции. Большое содержание (более 1-4 г/л) таких солей, как Na2CO3, K2SO4, Na2HPO4, Fe(NH4)(SO4)2*12H2O, Na2SO3, NaOH, Ca(NO3)2, резко ухудшает процесс флокуляции полиакриламидом.

По-видимому, органические вещества, адсорбируясь на частицах дисперсной фазы влияют на сорбцию макромолекул флокулянта. Например, установлено, что этиловый спирт и керосин оказывают отрицательное влияние на процессы хлопьеобразования.

В настоящее время не имеется данных, позволяющих прогнозировать влияние различных органических примесей сточных вод на процессы флокуляции.

Эффективность процесса флокуляции, размер и плотность образующихся хлопьев в большой степени зависят от интенсивности и продолжительности перемешивания. Интенсивное перемешивание сокращает время достижения адсорбционного равновесия, но при этом уменьшается количество адсорбированного флокулянта, а также разрушается часть образующихся при флокуляции агрегатов. Размер устойчивых хлопьев, определенный Ла Мером из условия, что скорости их образования и разрушения равны, определяется уравнением

R=Kn2Q2(1-Q)2

где К – коэффициент; n - число частиц в единице объема жидкости; Q - часть поверхности частиц, занятой адсорбированными молекулами флокулянта; (1-Q) - свободная поверхность.

Из уравнения следует, что размер устойчивых хлопьев зависит от доли поверхности частиц Q, занятой макромолекулами флокулянта. С увеличением Q размер устойчивых хлопьев возрастает и при некоторых оптимальных дозах флокулянта достигает максимального значения.

Изменение структуры хлопьев при перемешивании происходит вследствие: а) более равномерного распределения макромолекул флокулянта, прикрепления большого числа подвижных сегментов к большему числу частиц; б) адсорбции свободных сегментов на тех же частицах и сокращения длины полимерных мостиков; в) разрушения агрегатов с укороченными мостиками с последующей адсорбцией макромолекул на освободившейся поверхности частиц. Очевидно, что в начальный момент перемешивания большее значение имеет первый процесс, в результате которого образуются относительно крупные хлопья. При последующем перемешивании доминируют второй и третий процессы. Это подтвердили экспериментальные исследования, показавшие, что с увеличением среднего градиента скорости G происходит сначала увеличение, затем уменьшение размера хлопьев.

Показано также, что прибавление небольшого количества флокулянтов резко увеличивает прочность хлопьев, которая оценивалась по величине градиента скорости, необходимого для полного разрушения хлопьев.

При оптимальном количестве добавленного флокулянта образуется не связанные между собой агрегаты, способные к быстрому осаждению. При очень малых и больших количествах полимера может наблюдаться не флокуляция, а, наоборот, стабилизация дисперсной системы. При избыточном количестве флокулянта в воде может также образоваться густая сетка ассоциированных молекул полимера, препятствующая сближению и агрегации частиц суспензии.

На процесс флокуляции оказывает влияние размер макромолекул флокулянта (молекулярная масса). С увеличением размера макромолекул возрастает количество сегментов, способных к адсорбции на частицах. Это приводит к образованию более крупных агрегатов. Однако значительный рост молекулярной массы флокулянтов увеличивает стерические затруднения.

Наиболее эффективная флокуляция должна наблюдаться при определенном соотношении между размерами частиц и макромолекул полимера. Для обычно применяемых диапазонов молекулярных масс полимеров (до нескольких миллионов) увеличение размеров макромолекул приводит к снижению оптимальной дозы полимера. При значительном различии в размерах частиц и макромолекул флокуляция затрудняется.

Обычно флокулянты (например, полиакриламид) действуют в широком интервале рН воды. В средах с различным значением рН образуются неодинаковые по размерам и плотности флоккулы. Так, при флокуляции угольных шламов анионным полиэлектролитом – полиакриламидом, наиболее плотные флокулы образуются при рН=5-7. Скорость осаждения флокул при этом значении рН оказалась наибольшей, а объем осадка – наименьшим.

Оптимальный диапазон рН для разных флокулянтов различен. Например, гидролизованный полиакриламид следует использовать в кислой или щелочной средах, натриевые соли полиакриловой и полиметакриловой кислот – в области рН=3-7 и т.д.

Температура, очевидно, должна оказывать влияние на процесс флокуляции, хотя в тех диапазонах температур, в которых осуществляется коагуляционная и флокуляционная очистка природных и сточных вод, заметного влияния ее на процесс флокуляции не обнаружено. Тем не менее при низких температурах воды (0-100С) рекомендуется применять флокулянты, резко ускоряющие образование хлопьев, при этом, например, дозу активной кремниевой кислоты при температуре менее 3-70С следует повысить в 1,5 раза.

На эффективность очистки воды может оказывать влияние последовательность введения коагулянта и флокулянта. Обычно предварительная коагуляция дисперсной системы с последующей флокуляцией обеспечивает более высокую степень очистки. Предварительное введение в сточную воду флокулянта может привести к снижению скорости кристаллизации коагулянта, а также уменьшению размеров образующихся кристаллов. В результате снизится эффективность очистки, а также увеличится объем и влажность образующихся осадков. Вводить флокулянт в сточную воду целесообразно после завершения коагуляции коллоидных примесей (обычно через 0,5-5 мин после введения коагулянта).

Следует отметить, что в некоторых случаях последовательность введения коагулянта и флокулянта не оказывает существенного влияния на очистку сточных вод.