4. Сутність методу флокуляції
Флокуляція - це процес агрегації завислих частинок при додаванні в стічну воду високомолекулярних сполук, які називають флокулянтами. На відміну від коагуляції, при флокуляції агрегація проходить не тільки при безпосередньому контакті частинок, але і внаслідок взаємодії молекул адсорбованого на поверхні частинок флокулянту.
Флокуляцію проводять для інтенсифікації процесу утворення пластівців гідроксидів алюмінію і феруму з метою підвищення швидкості їх осадження. Використання флокулянтів дозволяє знизити дози коагулянтів, зменшити тривалість коагулювання і підвищити швидкість осадження утворених пластівців.
Механізм дії флокулянтів базується на таких явищах: адсорбція молекул флокулянту на поверхні колоїдних частинок; ретикуляція (утворення сітчастої структури) молекул флокулянту; злипання колоїдних частинок за рахунок міжмолекулярних сил (сил Ван-дер-Ваальса). Ефективність флокулянта розраховують за формулою:
,
де
Vеф і V - швидкість осадження флокульованих і нефлокульованих частинок відповідно, мм/с; g - витрати флокулянта на 1 т твердої речовини, г.
Для очистки стічних вод використовують природні і синтетичні флокулянти. До природних належать крохмаль, декстрин, целюлози тощо. Із синтетичних органічних флокулянтів найчастіше використовують поліакриламід технічний (ПАА) [-CH3-CI1(CONH2)-]n і гідролізований (ГПАЛ). Серед неорганічних флокулянтів широко використовується активна силіцієва кислота (xSiO2•yH2O).
При виборі складу і дози флокулянту враховують властивості його макромолекул і природу диспергованих речовин. Оптимальна доза флокулянту коливається в межах 0,4-1,0 г/м3. ПАА діє в широких межах рН, але швидкість осадження флокульованих частинок при рН > 9,0 зменшується. Апарати аналогічні тим, що використовуються в методі коагуляції.
5. Характеристика флокулянтів, що застосовуються для очищення стічних вод від колоїдно – дисперсних речовин
Флокулянти, які застосовують для очищення води, можна розділити на три групи: неорганічні полімери, природні високомолекулярні речовини та синтетичні органічні полімери. Серед неорганічних флокулянтів найбільшого поширення набула активна силікатна кислота (АК) Її розглядають як колоїдну систему, що складається з часточок, які мають чітку поверхню поділу фаз, тобто як золь SiO2. Часточки сферичної форми мають розмір від 1 до 150 нм. За іншими уявленнями, АК є розчином високомолекулярних силікатних кислот.
До високомолекулярних флокулянтів природного походження належать крохмаль та його похідні, декстрин, альгінат натрію, похідні целюлози, гуарові смоли, хітозан, лігносульфонові кислоти та їх солі. Крохмаль складається з двох полімерних вуглеводів — лінійного полімеру амілози і розгалуженого амілопектину. Ці речовини мають однаковий склад елементарної ланки: С5Н5О2(СН2ОН). Молекулярна маса амілози становить декілька сотень тисяч, а амілопектину — досягає декількох мільйонів. Від'ємний заряд розчинного крохмалю зумовлений наявністю незначної кількості естерів фосфатної кислоти СН2ОРО(0Н)2.
На основі крохмалю синтезовані ефективні катіонні флокулянти — аміновані крохмалі, до складу яких входять третинні аміногрупи
—OCH2N(C2H5)2,
або солі четвертинних амонійних основ
—ОСН2—CH2N(CH3)3CI.
Ефективними флокулянтами є крохмалі, до яких прищеплюють синтетичні полімери: поліакриламід, поліакрилову кислоту, етери поліметакрилової кислоти тощо. Як неіонні флокулянти використовують декстрин — крохмаль, оброблений сульфатною кислотою. Він містить амілози і має макромолекули менших розмірів.
З целюлози отримують похідні метил-, карбоксиметил-, оксіетилцелюлоз та інші водорозчинні аніонні поліелектроліти. Найбільшого поширення набула натрієва сіль карбоксиметилцелюлози (Na-КМЦ) складу С2H5O2(OH)2-х(CH2OH)1-у(OCH2COONa)х(CH2OCH2CONa)y. Молекулярна маса залежно від умов синтезу коливається в межах 40 • 103—450 • 103, найчастіше 40 • 103—110 • 103. Солі важких і багатозарядних металів з Na-КМЦ не розчинні у воді.
Флокулянти на основі гуарових смол містять активну галактоманозу С5Н5О2(ОН)СН2ОН з молекулярною масою порядку 220 • 103. Ці реагенти належать до неіонних флокулянтів і мають високу флокулюючу здатність. Хітозан являє собою полі(1,4-β D-глюкозамін) і має склад елементарної ланки C5H5(OH)(NH2)CH2(OH). Молекулярна маса становить (5...15) • 104. Добре розчиняється в органічних кислотах. Аміногрупа надає хітозану властивостей катіонного поліелектроліту. Лігносульфонові кислоти являють собою тримірний жорстколанцюговий сітчастий полімер, основу якого складають фенілпропанові ядра з фенольними і сульфогрупами. Молекулярна маса аніонних поліелектролітів коливається в межах від 2 • 103 до 100 • 103.
Значно більше застосовують синтетичні високомолекулярні флокулянти (ВМФ), які поділяють на неіонні, аніонні та катіонні. Найпоширенішим є поліетиленоксид (ПЕО) зі складом елементарної ланки —СН2—СН2—О—. Він має молекулярну масу від 4 • 104 до 5 • 107, найчастіше М > 106. Відомі аналоги ПЕО з М < 4 • 104. Флокулянт змішується з водою в будь-яких співвідношеннях, добре розчиняється у більшості органічних розчинників. Під час нагрівання водного розчину ПЕО понад 100°С полімер осаджується. Він також висолюється солями типу КСІ. У разі тривалого зберігання розчинів ПЕО, ультрафіолетового опромінювання, нагрівання та інтенсивного перемішування, ультразвукової обробки, дії окисників (хлору, озону, кисню), а також при наявності йонів купруму, феруму або алюмінію відбувається деструкція йонів полімеру. Розчини ПЕО стабілізують добавлянням 0,2-0,5 % оксихіноліну, а також етилового, ізопропілового або алілового спиртів.
Одним з найпоширеніших аніонних флокулянтів є поліакриламід (ПАА). Він являє собою полімер акриламіду —СН2—СН—CONH2 з молекулярною масою (1...6)-106. Поліакриламідні флокулянти виготовляють переважно у вигляді гелю з масовою часткою полімеру 7-11 %, рідше — у вигляді гранул з масовою часткою основної речовини 82-98 % (ПАА-ГС — поліакриламід гранульований сульфатний). Поліакриламід гідролізується водою, лугами, кислотами з утворенням акрилової кислоти та її солей. У практиці широко застосовують гідролізовані поліакриламіди (ГПАА), що являють собою співполімери акриламіду з акрилатами при вмісті останніх понад 20 %. До аніонних флокулянтів належать також гідролізований поліакрилонітрил (гіпан), співполімери акриламіду, акрилонітрилу та акрилатів, а також метасол, полістиролсульфокислота та ін.
До катіонних флокулянтів належать поліетиленімін (ПЕІ), четвертинні амонієві солі на основі полістиролу, полімер піридинової солі (ППС), полідиметиламіноетилметакрилати (полі-ДМАЕМА), аміфлок, поліаміноалкілові етери метакрилової кислоти, полівінілпіролідони (ПВП) та ін. Високомолекулярний ПЕІ складається з ланок двох типів:
—СН2—СН2—NH— і —СН2—СН2—N—СН2—СН2—NH2;
має молекулярну масу порядку (4...11)104. Він добре розчиняється у воді, спирті, ацетоні та хлороформі. У розбавлених водних розчинах поступово розкладається з виділенням аміаку і деструкцією макромолекул. З солями купруму, цинку, кобальту, ніколу, пюмбуму та деяких інших металів ПЕІ утворює інтенсивно забарвлені міцні комплексні сполуки. Він взаємодіє з білками, полівінілсульфокислотою, поліметакрилатом натрію, карбоксиметилцелюлозою та іншими водорозчинними сполуками, що містять кислотні групи, з утворенням не розчинних у воді полімер-полімерних комплексів.
Четвертинні амонієві солі на основі полістиролу (ВПК і ВА) з елементарною ланкою
мають молекулярну масу в межах 5 • 104—5 • 105. Склад елементарної ланки флокулянту ППС: —СН2—СН—C6H3(CH3)N+(CH3)(SO2O-CH3)-.
Він добре розчиняється у воді і метиловому спирті, слабко — в етиловому спирті.
Полі-ДМАЕМА являє собою сіль третинного аміну з елементарною ланкою складу
—СН2—C(CH3)COOC2H4N(CH3)2 • НСІ.
Має молекулярну масу порядку (1,2...1,5) • 106. Розчиняється уводі, ацетоні, метиловому і бутиловому спиртах. У розбавлених розчинах на світлі, при наявності йонів феруму, карбонатів і силікатів, а також під час нагрівання понад 25°С відбувається деструкція полімеру.
Аміфлок є співполімером метакриламіду і діетиламіноетилметакрилату у співвідношенні 65:35. Флокулянт ПВП має склад елементарної ланки
Він має молекулярну масу 104—3 • 105. Добре розчиняється у воді, спиртах, етиленгліколі, гліцерині, амінах, хлороформі та інших розчинниках.