Сточные воды

• силы электростатического отталкивания;
• броуновское движение;
• силы притяжения Ван-дер-Ваальса;
• силу всемирного тяготения.

     Коагуляция  дестабилизирует коллоидную взвесь посредством двух различных механизмов: нейтрализация заряда и химическое связывание.

     Нейтрализация заряда

     Положительно  заряженные коагулянты нейтрализуют отрицательный  заряд, окружающий коллоидные частицы. Когда заряд вокруг каждой частицы  нейтрализован, они постепенно сближаются, уменьшая свой эффективный радиус, становятся в конце концов неустойчивыми  и могут сталкиваться друг с другом. При столкновении частицы соединяются  друг с другом за счет водородных связей или, например, сил Ван-дер-Ваальса, образуя большие массы, или хлопья.

     Энергия перемешивания, применяемая в процессе очистки, увеличивает количество и  частоту этих столкновений частиц, усиливая агломерацию твердого вещества и способствую образованию хлопьев.

     Химическое  связывание

     Образованию хлопьев способствует полимерная природа  коагулянтов. Их длинные молекулярные цепочки подхватывают агломерированные частицы, образуют мостики от одной  поверхности к другой, связывая вместе отдельные хлопья в крупные, легко  удаляемые массы.

     Из  двух механизмов, участвующих в процессе коагуляции, нейтрализация заряда играет гораздо более важную роль, чем  химическое связывание. [64]

     Адсорбция полимера на частицах твердой фазы не всегда приводит к флокуляции. Необходимым условием последней является адсорбция одной макромолекулы или ассоциата макромолекул на нескольких частицах и образования хлопьев, состоящих из частиц, связанных полимерными мостиками [65-67].

     Основанная  на этих представлениях теория флокуляции нейтральных частиц была разработана Ла Мером. Согласно Ла Меру, при флокуляции сначала происходит первичная адсорбция и каждая макромолекула прикрепляется несколькими сегментами к одной коллоидной частице. Адсорбированные молекулы занимают часть θ поверхности частиц (точнее, активных центров, на которых возможна адсорбция), а остальная поверхность (1 - θ) остается свободной. Затем в процессе вторичной адсорбции свободные сегменты адсорбированных молекул закрепляются на поверхности других частиц, связывая их полимерными мостиками [68].

     При оценке возможности адсорбции уже  закрепленных макромолекул на свободной  поверхности других частиц нужно  учитывать следующие факторы: 1) соотношение  площадей свободной поверхности  частиц и поверхности, занятой макромолекулами; 2) конкуренцию макромолекул, находящихся  в растворе, и сегментов макромолекул, уже адсорбированных на этих же частицах; 3) стерические затруднения, препятствующие подходу частиц с адсорбированными макромолекулами к свободной поверхности других частиц.

     В теории флокуляции Ла Мера принимают во внимание только соотношение свободной и занятой макромолекулами поверхностей частиц.

     Скорость  флокуляции зависит от числа взвешенных частиц, расстояния, на которое должны приблизиться частицы для того, чтобы произошла адсорбция, сферы действия аттракционных сил и скорости движения частиц, которая определяет вероятность такого сближения.

     Сближение частиц на расстояние, достаточное  для проявления аттракционных сил, может происходить вследствие броуновского движения, перемещения частиц с микровихрями, образующимися при механическом перемешивании (микротурбулентность потока воды), неодинаковой скорости движения частиц при оседании или фильтровании, а также вращения и движения свободных сегментов адсорбированных макромолекул.

     В развитии представлений Ла Мера с учетом электрического заряда коллоидных частиц и макроионов и природы адсорбционных сил по аналогии с коагуляцией скорость флокуляции может быть выражена уравнением 

     u_ф = dn / dt = – К_ф R_ф φ_ф θ(1 - θ) n², 

     где К_ф – коэффициент, характеризующий условия сближения частиц;

     R_ф – сфера действия аттракционных сил – расстояние между центрами частиц, при котором происходит флокуляция, R_ф = 0,5 (d₁₊ d₂)χ (рис II.6,a);

     φ_ф – коэффициент, учитывающий суммарное действие возникающих между частицами и макромолекулами ван-дер-ваальсовых и кулоновских сил;

     θ(1 - θ) – фактор, определяющий вероятность  того, что свободная поверхность  одной частицы расположится около  макромолекул, адсорбированных на поверхности  другой частицы;

     n – счетная концентрация взвешенных частиц.

     Флокуляция частиц, размер которых достаточно велик, происходит под воздействием возникающих в движущемся потоке и перемещающихся с различной скоростью микрообъемов жидкости [69].

     Описаны два возможных механизма коагуляции и флокуляции частиц в движущемся потоке. Один из них протекает в условиях развитой турбулентности, в потоке, где имеется широкий спектр турбулентных пульсаций.

     Существенное  значение имеет происходящее во время  перемешивания изменение структуры  хлопьев, их прочности и плотности. Это изменение происходит по следующим  причинам:

     а) из-за более равномерного распределения  полимера, который после дозирования  находится в избытке в отдельных  местах суспензии, и адсорбции каждой из его молекул на все большем  числе твердых частиц; с возрастанием интенсивности перемешивания перераспределение  полимера происходит более быстро;

     б) вследствие адсорбции свободных  сегментов макромолекул на тех же твердых частицах и сокращения длины  полимерных мостиков;

     в) из-за разрушения агрегатов с укороченными мостиками на более мелкие и их взаимодействия между собой путем  дальнейшей адсорбции макромолекул на свободной поверхности разорванных  агрегатов.

     Разрушение  агрегатов происходит преимущественно  в местах соприкосновения коллоидных частиц между собой, так как действующие  между частицами силы Ван-дер-Ваальса  менее прочны, чем силы, обусловливающие  адсорбцию макромолекул полимера.

     Наличие оптимальных доз полимера при  флокуляции устанавливается различными методами: по изменению мутности коллоидного раствора или суспензии после добавления флокулянта (уменьшение мутности в грубодисперсных), по скорости седиментации, по мутности или прозрачности суспензии после оседания сфлокулированного взвешенного вещества, по объему осевшего осадка, по скорости фильтрования через пористую перегородку с образованием слоя кека (максимальная скорость соответствует образованию наиболее крупных хлопьев), по качеству фильтрата и по времени защитного действия фильтрующей загрузки из зернистого материала.

     Несомненное влияние на процесс флокуляции должен оказывать размер макромолекул (молекулярная масса полимера): чем больше размер макромолекул, тем относительно больший процент сегментов адсорбированных макромолекул остается свободным и способным к адсорбции на других частицах. Большая макромолекула может связать большее число твердых частиц, образуя, таким образом, более крупные хлопья.

     Вместе  с тем по мере возрастания размеров макромолекул усиливаются стерические явления и затрудняется подход частиц с адсорбированными макромолекулами к свободной поверхности других частиц.

     Совместное  действие обоих факторов приводит к  тому, что наиболее эффективная флокуляция и максимальный размер хлопьев должны наблюдаться при определенном размере макромолекул, точнее – определенном соотношении между размером коллоидных частиц и макромолекул полимера [70-74].

     1.5 Условия применения  флокулянтов для очистки воды

     На  основании всей совокупности обнаруженных закономерностей следует отметить, что полиакриламидные флокулянты в отсутствие и в сочетании с минеральными коагулянтами могут успешно использоваться для очистки природных и сточных вод от взвешенных и коллоидно-дисперсных веществ. Оптимизация процесса водоочистки не является чётким алгоритмом и зависит от множества факторов. На водоочистку влияют характеристики флокулянта (природа, химический состав, молекулярная масса, конформация макромолекул и концентрация флокулянта) и коагулянта (природа и концентрация), технологические факторы (способ и момент дозировки флокулянта и коагулянта, эффективность перемешивания, продолжительность смешения и др.), а также качество исходной воды (химический и дисперсионный состав, величина рН и температура). Несомненно, что с учетом этих факторов можно интенсифицировать очистку и обесцвечивание природных и сточных вод, а также осуществлять процесс управляемой водоочистки с целью получения очищенной воды соответствующей нормам качества питьевой воды и требованиям потребителей.