Промышленная водоподготовка

1.4 Коагуляция 
 

     КОАГУЛЯЦИЯ (от лат. coagulatio- свертывание, сгущение), объединение частиц дисперсной фазы в агрегаты вследствие сцепления (адгезии) частиц при их соударениях. Соударения происходят в результате броуновского движения, а также седиментации, перемещения частиц в электрич. поле (электрокоагуляция), мех. воздействия на систему перемешивания... Наиболее часто в качестве коагулянта используют полигидраты солей алюминия и железа, например, полиалюмогидрохлорид или полиалюмогидросульфат, или полигидрат сульфата железа (II). Последний реагент применяется при совмещении процессов коагуляции и известкования.

     Процесс осветления коагуляцией – сложное  физико-химическое явление, успех которого зависит от массы параметров. Тем не менее, можно выделить четыре основных фактора, которые определяют скорость и качество протекания реакции.

     1. Скорость потока. Поскольку глубина  процесса детерминирована временем  образования и укрупнения флокул, следует учитывать, что режим потока может существенно влиять на возникающие первичные рыхлые хлопья. В пределе, они могут даже разрушаться. Поэтому скорость потока воды в зоне реакции и отстаивания не должна превышать 1-1,5 мм/с.

     2. рН среды. В связи с тем, что скорость и глубину гидролиза коагулянта определяет кислотность среды, она должна находиться в заданных для данного реагента параметрах. Например, для сульфата алюминия эмпирическое значение оптимального рН находится в пределах 5,5-7,5. В более кислой (рН≤ 4,5) среде гидролиз реагента не происходит, а в более щелочной (свыше 8) получившийся гидроксид алюминия, благодаря амфотерности металла, диссоциирует, как кислота, в результате чего эффективность процесса падает.

     3. Температура. Подогрев (до 40єС) и перемешивание очищаемой воды увеличивает скорость процесса и повышает размер флокул.

     4. Дозировка коагулянта. Оптимальная  дозировка коагулянта определяется  на основе анализа природной  воды и может варьировать в  достаточно широких пределах, в  зависимости от времени года и пр.

     Следует заметить, что последний фактор может  иметь решающее значение в стоимости  первичной обработки воды, поскольку  реагенты для такой обработки  достаточно дороги. Для снижения расходов оптимальным выходом становится внедрение автоматизированных систем первичной обработки. Они позволяют существенно сократить расход химикатов (за счет высокой точности подачи – до 1-1,5% по объему) и оптимизировать процессы первичной очистки. Такие системы сегодня нашли достаточно широкое применение в водозаборах. Например, на Западном водозаборе г. Москвы, откуда вода поступает, в том числе, и на ТЭЦ, вода из реки проходит обработку флокулянтами (полиалюмогидрохлорид) при помощи установок GRUNDFOS POLYDOS, при этом станция также самостоятельно поддерживает оптимальный рН. Система полностью автоматизирована и контролируется, через специальные шкафы управления, из центрального диспетчерского пункта. 

     1.5 Флотация 
 

     Флотация (франц. flottation, от flotter - плавать), процесс  разделения мелких твёрдых частиц (главным образом минералов), основанный на различии их в смачиваемости водой.

     Известно, что при флотации мелкие частицы  уносятся мелкими газовыми пузырьками, крупные-крупными, а эффективность  флотации зависит еще и от электрического заряда пузырька.

     Флотация  – способ промышленно очистки  воды, основанный на удалении загрязнений  с помощью пузырьков воздуха. Всплывая, они захватывают частицы  примесей, в том числе масел  и нефтепродуктов, и выносят их на поверхность воды, образуя там  пленку или пенный слой, который затем снимается специальными пеносборными механизмами. Флотаторы предназначены для доочистки сточных вод от мелких частиц минерального происхождения и нерастворимых нефтепродуктов, которые присутствуют в воде в виде мелких капель.

     Процесс образования комплекса пузырек-частица происходит в три стадии: сближение пузырька воздуха и частицы в жидкой фазе, контакт пузырька с частицей и прилипание пузырька к частице.

     Прочность соединения пузырек-частица зависит  от размеров пузырька и частицы, физико-химических свойств пузырька, частицы и жидкости, гидродинамических условий и других факторов.

     Процесс очистки стоков при флотации заключается  в следующем. Поток жидкости и  поток воздуха (мелких пузырьков) в  большинстве случаев движутся в  одном направлении. Взвешенные частицы загрязнений находятся во всем объеме сточной воды и при совместном движении с пузырьками воздуха происходит агрегатирование частицы с воздухом. Если пузырьки воздуха значительных размеров, то скорости воздушного пузырька и загрязненной частицы различаются так сильно, что частицы не могут закрепиться на поверхности воздушного пузырька. Кроме того, большие воздушные пузырьки при быстром движении сильно перемешивают воду, вызывая разъединение уже соединенных воздушных пузырьков и загрязненных частиц. Поэтому для нормальной работы флотатора во флотационную камеру не допускаются пузырьки более определенного размера. 

1.6 Ионный обмен 
 

     ИОННЫЙ  ОБМЕН - это обратимая химическая реакция, при которой происходит обмен ионами между твердым веществом (ионитом) и раствором электролита.

     В водоподготовке ионный обмен применяют  для умягчения, обессоливания воды, селективного удаления различных ионов  и т.д.

     ИОНИТЫ (ионообменники, ионообменные сорбенты), полимерные в-ва и материалы, содержащие ионогенные и (или) комплексообразующие группы, способные к обмену ионов при контакте с р-рами электролитов. Большинство ионитов - твердые нерастворимые полиэлектролиты аморфной или кристаллич. структуры. Ионогенные группы закреплены на мол. каркасе (матрице) и диссоциируют, давая полиионы (фиксир. ионы) и подвижные противоионы, компенсирующие заряды полиионов.

       Принцип действия метода основан  на возможности ионитов изменять  состав обрабатываемой воды в  необходимом направлении. Реакция  происходит на поверхности ионита  – полимера, в состав которого входят функциональные группы, способные поглощать из раствора ионы определенного заряда в обмен на эквивалентные количества других ионов того же заряда. При этом выбор типа смолы (анионит или катионит) напрямую зависит от состава и качества очищаемой воды.

     В общих чертах, метод состоит в  прокачивании воды через колонки  с ионитом. При этом в формирующейся  зоне фильтрации (фронт фильтрации) и происходит реакция ионообмена. Подлежащая очистке вода проходит через  один или систему фильтров (колонки), заполненных ионитами, подбираемыми в зависимости от требуемой задачи. Иониты удаляют из воды соответствующие ионы и обмениваются с водой эквивалентными количествами других ионов, которые первоначально находились в ионите. Обменивающиеся ионы называются противоионами. После достижения предела емкости ионита (возникновения проскока поглощаемого иона) колонка требует регенерации.

     Иониты  состоят из неподвижного каркаса - матрицы  и функциональных групп - фиксированных  ионов, которые жестко прикреплены к матрице и взаимодействуют с противоионами.

     В зависимости от знака заряда противоионов иониты делят на катиониты и аниониты. Если противоионы заряжены положительно, т.е. являются катионами (например, ионы водорода Н+ или ионы металлов), ионит  называют катионитом. Если противоионы заряжены отрицательно, т.е. являются анионами (например, ион гидроксила ОН- или кислотные остатки), ионит называют анионитом.

     Различают сильно- и слабокислотные катиониты (в Н⁺- или Na⁺ - форме) и сильно- и слабоосновные аниониты (в ОН^- - или солевой форме), а также иониты смешанного действия.

     Ионообменную  очистку реализуют последовательным фильтрованием сточной воды через  катиониты и аниониты. При контакте сточной воды с катионитом в водородной форме имеет место обмен катионов растворенных в воде солей на Н⁺ -ионы катионита в соответствии с уравнением реакции 

       n[К]Н + Меn⁺ [К]nМе + nН^{+ ,                                        (5)} 

где К  — «скелет» (радикал) катионита; Me —  извлекаемый из сточной воды катион металла; n — заряд катиона. При этом имеет место увеличение кислотности сточной воды.

       При контакте сточной воды  с анионитом в гидроксильной  форм происходит обмен анионов  кислот на ОН--ионы анионита  в соответствии с уравнением  реакции 

        m[Аn]ОН + Аm^- [Аn]mА + mOН^{-,                                 (6)} 

     где Аn — «скелет» (радикал) анионита; А  — извлекаемый из сточной воды анион; m —заряд аниона.

     Основными характеристиками ионитов являются: селективность, рабочая обменная емкость и кинетика ионного обмена.

     Селективность ионита показывает, насколько эффективно ионит способен удалять те или  иные противоионы в присутствии  других конкурирующих противоионов. Селективность ионитов определяется природой матрицы ионита, типом функциональных групп, концентрацией противоионов в растворе и т.д. Как правило, селективность ионитов возрастает с увеличением заряда противоиона, а среди ионов с одним и тем же зарядом - с увеличением атомного веса. Т.е., чем тяжелее противоион и чем выше его заряд, тем большую селективность проявляет к нему ионит. Типичный ряд селективности показан ниже: 

     Na⁺<K⁺<Mg²⁺<Ca²⁺<Fe ²⁺<Mn²⁺<Ba²⁺<Fe³⁺ 

     Исключение  составляют противоионы, которые образуют малодиссоциирующие соединения с фиксированными группами, например, слабоосновные иониты с анионами слабых кислот (карбонатами), или некоторые цеолиты с аммонием. Кроме того, возможны специфические взаимодействия, основанные на хелатном эффекте или на ситовом эффекте.

     Обращение селективности наблюдается при  увеличении концентрации раствора. Например, двухзарядные противоионы могут  быть вытеснены из ионита однозарядными  противоионами при контакте с  раствором, содержащим однозарядные противоионы  в высокой концентрации. Этим определяется важнейшее свойство ионитов - их способность к регенерации после насыщения ионами, удаляемыми из воды, путем промывки примерно 5-6%-ми растворами кислот (для катионитов) или щелочей (для анионитов) или 10-12%-ыми растворами солей. Именно это свойство позволяет многократно, в течение нескольких лет, использовать загрузку ионитов для очистки воды.

     Величина  рабочей обменной емкости определяет, как долго может работать ионит  в данных условиях до первого проскока поглощаемого иона в фильтрат, а, следовательно, показывает ресурс работы ионита в процессе водоподготовки. Обычно обменную емкость принято выражать в эквивалентах на литр набухшего ионита.

     Кинетика  ионного обмена определяет скорость протекания ионообменной реакции и, следовательно, требуемую скорость фильтрования. На скорость ионного обмена влияют следующие факторы: доступность фиксированных ионов внутри каркаса ионита, размер гранул ионита, температура, концентрация раствора и т.д.

     Общая скорость процесса ионного обмена может  быть представлена как совокупность процессов, происходящих в растворе (диффузия противоионов к зерну и от зерна ионита) и в ионите (диффузия противоионов от поверхности к центру зерна ионита и в обратном направлении; обмен противоионов ионита на противоионы из раствора):

     В условиях, приближенных к реальным условиям очистки воды, доминирующим фактором, определяющим скорость ионного  обмена, является диффузия ионов внутри зерна ионита. Следовательно, скорость ионного обмена, прежде всего, зависит  от размера зерна ионита и увеличивается с уменьшением размера зерна.

     Следует отметить, что ионообмен, несмотря на эффективность, имеет ряд недостатков, которые снижают ценность технологии в глобальной перспективе.

     Во-первых, велики затраты на регенерацию фильтров и досыпку ионитов. Во-вторых, низка экологичность метода из-за образования значительного количества солевых стоков опасной концентрации. Например, для умягчения при жесткости исходной воды 7 мгчэкв/л и расходе умягченной воды 1000 т/ч расход реагентов для регенерации фильтров (NaCl) достигает 30 т/сут. При этом сброс опасных засоленных стоков (в пересчете на твердые соли), который поступает в поверхностные водоемы, также соответствует этой цифре, следовательно, требуются меры по их обезвреживанию. В-третьих, велика вероятность «отравления» ионитов органическими соединениями, растворенными в воде, и, как следствие, снижения эффективности установки. Кроме того, неполярные органические соединения практически не задерживается на колоннах. В результате они попадает в котлы и трубопроводы, вызывая коррозию оборудования.

     Преимущества  ионного обмена. Основное преимущество умягчения воды с помощью ионного  обмена - простота управления процессом. Обычные колебания жесткости  сырьевой воды или скорости потока не влияют на эффективность умягчения. Кроме того, система обычно занимает меньшую площадь, чем система умягчения известью и кальцинированной содой, и в большинстве случаев дает более мягкую воду. Использование кислотных обменников обладает преимуществами, когда требуется мягкая вода с низкой щелочностью. Главное преимущество деминерализации при ионном обмене - ее способность производить воду лучшего качества по сравнению с той, которая может быть получена любым другим методом.