Введение

Загрязнение природных вод – основных источников водоснабжения населения приобрело за последние годы, угрожающие размеры. Это особенно относится к сточным водам с фармацевтических и химических производств, попадания их в ливневые, подземные и поверхностные воды. При существующих технологиях водоподготовки с применением хлора или его производных возникает большая опасность образования в очищаемой воде хлорорганических канцерогенных соединений, что было доказано многочисленными исследованиями. Применяемые же в настоящее время в технологии водоподготовки коагулянты на основе соединений алюминия и железа не способны глубоко очищать воду от органических соединений, особенно в весенне-зимний период при низких температурах очищаемой воды. Поэтому предварительная глубокая очистка природных и сточных вод от органических соединений и микроорганизмов приобретает все более актуальное значение [1,3].

1. Теоретические основы процесса коагуляции

Сточные воды многих химических и фармацевтических производств представляют собой низкоконцентрированные эмульсии и суспензии, содержащие мелкодисперсные частицы размером 0,1–10 мкм и более, а также коллоидные частицы размером 0,001–0,1 мкм. Применяемые методы механической очистки сточных вод позволяют обычно выделять 10–50 мкм. Для очистки сточных вод от мелкодисперсных и коллоидных частиц используют методы коагуляции и флокуляции, обусловливающие слипание частиц с образованием крупных агрегатов, которые удаляются из воды механическими методами [3].

Эффективность и экономичность процессов коагуляционной очистки сточных вод определяются устойчивостью дисперсной системы, которая зависит от ряда факторов: степени дисперсности, характера поверхности частиц, величины электрокинетического потенциала, наличия в сточной воде других примесей (например, электролитов, высокомолекулярных веществ), концентрации частиц и других примесей и т.д.

Сточные воды бывают, загрязнены твердыми частицами (волокна, пластмассы, цемент, каолин, глина, каучук, фосфор, кристаллы солей и др.) или жидкими частицами (нефть, нефтепродукты, смолы). Поверхность этих частиц может быть гидрофона или гидрофильна, может иметь значительную шероховатость или быть сравнительно гладкой.

Частицы примесей обладают различной плотностью, а размеры колеблются в широких пределах. Например: плотность частиц, Диапазон размеров г /см3 частиц, мкм

Нефтепродукты…. …………………. 0,8–1,1 от 0,01–0,1

Полистирол…….……………………. 1,02 0,06–0,6

Фосфор………………………………. 1,8 1,6–5,4

Каолин………….……………………. 2,4 0,5–5,0

Чаще всего концентрация мелкодисперсной и коллоидной фазы в сточных водах относительно невелика (0,2–1%), поэтому сточные воды, как правило, могут быть отнесены к свободнодисперсным коллоидным системам. Присутствующие обычно в сточных водах органические вещества, электролиты поверхностно-активные вещества существенно влияют на устойчивость дисперсных систем, а также на процессы их коагуляции.

Существует несколько способов коагуляции дисперсных систем (сточных вод), целесообразность применения: которых обусловливается действующими факторами устойчивости систем, а также экономическими соображениями. Особенностью коагуляционной очистки сточных вод является необходимость применений коагулянтов, не вызывающих вторичного загрязнения воды.

К основным методам коагуляционной очистки относятся: коагуляция электролитами, гетерокоагуляция, в том числе взаимная коагуляция коллоидов, а также коагуляция под действием физических или химических факторов (перемешивания, нагревание, замораживание и др.).

Следует отметить, что гетерокоагуляция – взаимодействие коллоидных и мелкодисперсных частиц с агрегатами, образующимися при введении коагулянтов (солей – алюминия, железа и т.п.) в воду, является основным процессом коагуляционной очистки сточных вод [2,3].

1.1 Гетерокоагуляционная очистка

Обработка воды минеральными коагулянтами-солями алюминия и железа – впервые применена на рубеже ХIХ–ХХ вв. С тех пор этот метод, с успехом используют для очистки природных и сточных вод и, несмотря на то, что предложены и другие коагулянты, например, солей магния и кальция, ему отдают предпочтение.

При введении в воду солей алюминия и железа в результате реакций гидролиза образуются малорастворимые в воде гидроксиды железа и алюминия:

Рис. 1 Содержание соединений алюминия в осадках при различных рН воды

Образующиеся в процессе гидролиза серная или соляная кислоты должны быть нейтрализованы, иначе равновесие реакции будет сдвинуто влево данные исследований указывают, что при обработке воды сульфатом алюминия помимо гидроксида алюминия образуются соединения.

По другим данным, в результате реакции между ионами алюминия (или железа), молекулами воды и гидроксильными группами в растворе образуются следующие гидроксиды алюминия (или железа):

А) катионного типа – АL2, (ОН)4+2, АL2(ОН)+5, АL4(ОН)4+8, АL6(ОН)3+15, AL7(OH)4+17, AL8(OH)4+20, AL13(OH)5+34, Fe(OH)+2, Fe2(OH)4+2 и Fe(OH)2+;

Б) анионного типа – AL(OH)-4 и Fe(H2O)2(OH)-4;

В) неионогенного типа – AL(OH)3 и Fe(OH)3

Существовавшие ранее представления о коагуляционной очистке воды как процессе взаимной коагуляции коллоидных примесей с противоположно заряженными золями гидроксидов металлов как об электролитической коагуляции не соответствовали наблюдаемым явлениям. В связи с этим было развито представление сорбционном механизме удаления коллоидных примесей из воды на развитой поверхности коагуляционных гелей гидроксидов металлов. Очевидно, что процессы сорбции примесей на хлопьях коагулянта происходят[3].

При введении в воду неорганических коагулянтов (солей алюминия, железа, и др.) происходит, как указывалось, снижение агрегатной устойчивости системы под действием электролита (введенной соли), сорбция ионов на поверхности частиц и образование в результате химической реакции нового малорастворимого соединения, концентрация которого в воде значительно выше его растворимости. Выделение твердой фазы коагулятора из пересыщенного раствора (кристаллизация) [2,3].

1.2 Влияние различных факторов на процессы гетерокоагуляционной очистки

На скорость эффективность процесса очистки сточных вод гетерокоагуляцией оказывают влияние многие факторы: количество и состав растворенных в воде примесей, концентрация коллоидных примесей, температура, перемешивание, магнитные и электрические поля и др.

Растворенные в воде примеси. Механизм влияния примесей сточных вод на кинетику кристаллизации коагулянта многообразен. Он может быть обусловлен процессами комплексообразования, сорбции, химического взаимодействия и т.д.

Неорганические вещества. По характеру своего влияния кристаллизацию коагулянта примеси могут быть разделены, на группы:

а) неорганические вещества, имеющие общий ион с кристаллизующимся коагулянтом;

б) неорганические вещества, не имеющие общего иона с кристаллизующимся коагулянтом