Физико-химические основы процесса флокуляции


Курсовая работа

Тема:

Физико-химические основы процесса флокуляции


СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ

. Кинетика и механизм процесса флокуляции

.влияние различных факторов на процесс флокуляции

. Виды флокулянтов

. Применение флокулянтов

Заключение

Литература


РЕФЕРАТ


Курсовая работа состоит из: 21 страницы компьютерного текста, 18 использованных источников литературы.

Цель: проанализировать и охарактеризовать процесс флокуляции.

Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:

Рассмотреть механизм флокуляции;

Рассмотреть способы проведения флокуляции;

Рассмотреть применение флокуляции в промышленности.


ВВЕДЕНИЕ


Снижение качества и возрастающие объемы потребления воды со все большей остротой ставят проблему её очистки от загрязнений, и в частности, от взвешенных и коллоидно-дисперсных частиц. Эффективность осаждения дисперсий может быть значительно увеличена с помощью флокулянтов, при этом одновременно снижаются: цветность, запахи, привкусы и микробная загрязненность воды. Кроме того флокулянты позволяют: улучшить качество воды при минимизации времени отстаивания; достигать запланированной производительности при меньших расходах; увеличивать производительность без капитальных затрат; повысить эффективность системы фильтрации и увеличить срок службы фильтров. Однако в настоящее время отсутствует универсальный флокулянт для выделения широкого спектра загрязняющих веществ. Кроме того возникают трудности с выбором определенных условий для оптимальной работы - температуры, рН, концентрации и др. Поэтому сейчас активно ведутся работы по поиску и синтезу новых высокоэффективных флокулянтов.


1.Кинетика и механизм процесса флокуляции


Процесс флокуляции состоит из адсорбции высокомолекулярных соединений (ВМС) и агрегации частиц полимеров. [1,2,3] Поэтому рассматривая кинетику флокуляции, необходимо учитывать скорость диффузии макромолекул к поверхности частички и достижение адсобционного равновесия. Кинетику флокуляции рассматривают исходя из представлений Смолуховского и Фукса о кинетике коагуляции коллоидных растворов. Для флокуляции полимеросодержащих и непокрытых частиц Флир преобразовал уравнение Смолуховского в такой вид:


= - 2 Ф1 (1 - Ф1) KN2 (1),


где Ф1 - объемная часть полимеросодержащих частиц; К - константа скорости образования молекул.

При Ф1 =0,5 скорость флокуляции должна быть максимальной и равняться ½ скорости коагуляции. На начальной стадии флокуляции ВМС,как показал Уоллес, отношение числа столкновений между покрытыми и непокрытими частицами z к числу столкновений между «чистыми» частицами z0 возрастает в меру увеличения толщины адсорбционного полимерного слоя ?:


= ,(2)


где r - радиус частиц;

С - их концентрация.

Ла Мер на основании адсорбционных представлений Ленгмюра вывел уравнение кинетики флокуляции для случая, когда равновесие адсорбции полимера достигается очень быстро и скорость процесса определяется только условиями столкновения частиц:


- = - ? (1 - ?) KN2 (3),


где ? - часть поверхности, покрытая полимером.

Из этого уравнения следует, что максимальная скорость флокуляции достигается, когда макромолекулы занимают половину всех адсорбционных мест на поверхности частиц. Влияние кинетики адсорбции ВМС на степень флокуляции определяется в зависимости от эффективности смешения полимера с дисперсией. Существенная зависимость эффективности коагуляции от молекулярной массы при одновременном добавлении ВМС, вероятно, обусловлена влиянием кинетического фактора: продолжительность адсорбционного равновесия ВМС на частицах значительно больше, чем интервал времени между столкновениями частиц в результате броуновского движения.

Много исследователей причиной флокуляции считают образование мостиков между дисперсными частицами с помощью молекул адсорбированного высокомолекулярного вещества. Флокуляция по механизму мостообразования будет разной для случаев установившегося и неустановившегося равновесия адсорбции ВМС на поверхности частичек. В случае неустановленного адсобционного равновесия флокулянтами выступают ВМС, которые, прикрепляясь малым числом контактов на поверхности, слабо деформируются во время адсорбции или содержат достаточно длинные петли и хвосты. Вторым условием флокуляции по механизму мостообразования должно быть наличие свободной поверхности на соседних частицах, на которых могут адсорбироваться несвязанные участки макромолекул. Флокуляция наиболее эффективна на частичном (? =0,5) покрытии поверхности от гранично возможной, которая хорошо согласовывается с уравнением (3).

Флокуляция в условиях равновесия реагента происходит на протяжении нескольких часов.[2] При этом эффективность процесса зависит от степени полимеризации реагентов, поскольку, имея разную молекулярную массу, они образуют на поверхности адсорбционные слои примерно одинаковой толщины. Но большее влияние оказывает концентрация электролита в системе, так как здесь важно, чтобы длина петель и хвостов адсорбированных макромолекул превышала радиус действия электрических сил отталкивания между частицами.

Потенциальная энергия взаимодействия двух заряженных частиц в зависимости от расстояния между ними Н характеризуется наличием глубокого первичного минимума для малых Н, а для больших частиц - также вторичный минимум на значительных расстояниях. Флокуляция полимеросодержащих частиц в первичном минимуме маловероятна из-за стерической преграды, обусловленной значительной толщиной адсобционных слоев.

Возможна гетерокоагуляция в случае флокуляции дисперсии высокомолекулярными неорганическими полимерами (гели силикатной кислоты), которые вступают в реакцию гидролиза с многозарядными ионами или глобулами полиэлектролитов. Они образуют в растворе кинетические единицы коллоидных размеров. Флокуляцию дисперсий противоположно заряженными электролитами можно объяснить снижением эффективного заряда и потенциала частиц, то есть в этом случае действует механизм аналогичен механизму нейтрализационной коагуляции золей многозарядными противоионами. Заряд поверхности и ?1-потенциал могут снизиться как за счет накопления достаточно большого количества противоположно заряженных звеньев в слое Штерна (в условиях заметной деформации макроионов при адсорбции), так и в последствии разных химических взаимодействий между функциональными группами полиэлектролита и потенциалопределяющими ионами или противоионами двойного слоя частиц. Добавления электролитов расширяют границы флоккулирующей концентрации полиэлектролита вследствие нейтрализации части поверхностного заряда противоионами.


2. Влияние различных факторов на процессы 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. [4,5]

Частицы твердой фазы

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.

Растворенные в воде примеси

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. [6,10]

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.

Перемешивание

Эффективность процесса флокуляции, размер и плотность образующихся хлопьев в большой степени зависят от интенсивности и продолжительности перемешивания. Интенсивное перемешивание сокращает время достижения адсорбционного равновесия, н 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

= Kn2Q2(1-Q)2


где К - коэффициент; n - число частиц в единице объема жидкости;- 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 [8, 9].

Количество и молекулярная масса флокулянта

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. сточный коллоидный дисперсный флокулянт

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 [8,9,10].

Влияние других факторов

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 (0-100oС) рекомендуется применять флокулянты, резко ускоряющие образование хлопьев, при этом, например, дозу активной кремниевой кислоты при температуре менее 3-70oС следует повысить в 1,5 раза [8,14,20].


. Виды флокулянтов


Флокулянты, которые применяют для очищения воды, можно разделить на 3 группы: неорганические полимеры, природные высокомолекулярные вещества и синтетические органические полимеры. Среди неорганических флокулянтов наиболее распространена активная силикатная кислота (АК). Ее рассматривают как коллоидную систему, которая состоит из частиц имеющих четкую поверхность разделения фаз, то есть как золь SiO2. Частички сферической формы имеют размеры от 1 до 150 нм. [11,12,13]

Высокомолекулярными флокулянтами природного происхождения являются крахмал и его производные, декстрин, альгинат натрия, производные целлюлозы, гуаровые смолы, хитозан, лигносульфоновые кислоты и их соли. Крахмал состоит из двоих полимерных углеводов - линейного полимера амилазы и разветвленного амилопектина. Эти вещества имеют одинаковый состав элементарного звена: C2H5O2(CH2OH). Молекулярная масса амилазы составляет несколько сотен тысяч, а амилопектина - достигает нескольких миллионов. Отрицательный заряд растворимого крахмала обусловлен наличием незначительного количества эфиров фосфатной кислоты CH2OPO(OH)2.

На основе крахмала синтезированы эффективные катионные флокулянты - крахмалы, в состав которых входят третичные аминогруппы - OCH2-CH2N(CH3)3Cl. Эффективными флокулянтами есть крахмалы, к которым присоединены синтетические полимеры: полиакриламид, полиакриловая кислота, эфиры полиметакриловой кислоты и др. Как неионные флокулянты используют декстрин - крахмал, обработанный серной кислотой.. Он содержит амилазы и его макромолекулы имеют меньшие размеры.

С целлюлозы получают производные метил-, карбоксиметил-, оксиэтилцеллюлоз и другие водорастворимые анионные полиэлектролиты. Наиболее распространена натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы (Na-КМЦ) состава C2H5O2(OH)2-x(CH2OH)1-y(OCH2COONa)x(CH2OCH2CONa)y. Молекулярная масса в зависимости от условий синтеза колебается в пределах 40*103-450*103, чаще всего 40*103-110*103. Соли тяжелых металлов с Na-КМЦ не растворимы в воде. [14,15]

Флокулянты на основе гуаровых смол содержат активную галактоманозу C2H5O2(OH)CH2OH с молекулярной массой порядка 220*103. Эти реагенты принадлежат к неионным флокулянтам и имеют высокую флоккулирующую способность. Хитозан представляет собой поли(1,4-?,D-глюкозамин) и имеет состав элементарного звена C2H5(OH)(NH2)CH2(OH). Молекулярная масса составляет (5…15)*104. Хорошо растворим в органических кислотах. Аминогруппа придает хитозану свойств катионного полиэлектролита. Лигносульфоновые кислоты представляют собой трехмерный жесткоцепной сетчатый полимер, основу которого составляют фенилпропановые ядра с фенольными и сульфогруппами. Молекулярная масса анионных полиэлектролитов колеблется в пределах от 2*103 до100*103.

Значительно больше применяют синтетические высокомолекулярные флокулянты (ВМФ), которые подразделяют на неионные, анионные, катионные. Наиболее распространённым является полиэтиленоксид (ПЭО),состав элементарного звена -CH2-CH2-O-. Его молекулярная масса >106. Известны аналоги ПЭО с М > 4*104. Флокулянт смешивается с водой в любых соотношениях, хорошо растворим в большинстве органических растворителей. Во время нагревания водного раствора ПЭО больше, чем на 100oС полимер осаждается. Если растворы ПЭО подвергать длительному хранению, ультрафиолетовому облучению, нагреванию, интенсивному перемешиванию, ультразвуковой обработке, действию окислителей(хлор, озон, кислород), а также в присутствии ионов меди, железа, алюминия происходит деструкция ионов полимера. Растворы ПЭО стабилизируют добавлением 0,2-0,5% оксихинолина, а также этилового, изопропилового, алилового спиртов.

Одним из наиболее распространенных анионных флокулянтов является полиакиламид (ПАА). Он представляет собой полимер акриламида - CH2-CH-CONH2 c молекулярной массой (1…6)*106. Полиакриламидные флокулянты изготавливают преимущественно в виде геля с массовой долей полимера 7-11%, реже - в виде гранул с массовой долей основного вещества 82-88% (ПАА-ГС - полиакриламид в гранулах сернокислый). ПАА вступает в реакцию с водой, кислотами, щелочами с образованием акриловой кислоты и ее солей. На практике широко применяют гидролизованные полиакриламиды (ГПАА), что представляют собой сополимеры акриламида с акрилатами с содержанием последних выше 20%. К анионным флокулянтам принадлежат также гидролизованый полиакрилонитрил (гипан), сополимеры акрилонитрила, метасол, полистиролсульфокислота и др.

К катионным флокулянтам относятся полиэтиленимин (ПЭИ), четвертичные аммониевые соли на основе полистирола, полимер пиридиновой соли (ППС), полидиметиламиноэтилметаакрилаты (поли-ДМАЭМА), амифлок, поливинилпиролидоны (ПВП) и др. Высокомолекулярный ПЭИ состоит из звеньев двух типов:


CH2-CH2-NH- и

CH2-CH2-N-CH2-CH2-NH2;


молекулярная масса порядка (4…11)*104

Он хорошо растворим в воде, спирте, ацетоне, хлороформе. [12,13,14]

В разбавленных водных растворах постепенно разлагается с выделением аммиака и деструкцией макромолекул. С солями Меди, Цинка, Кобальта, Никеля, Свинца и некоторых других металлов ПЭИ образовывает интенсивно окрашенные прочные комплексные соединения. Он взаимодействует с белками, поливинилсульфокислотой, полиметакрилатом натрия, карбоксиметилцеллюлозой и другими водорастворимыми соединениями, которые содержат кислотные группы, с образованием нерастворимых в воде полимер-полимерных комплексов.


4. Применение флокулянтов


Рассмотрим использование флокулянтов на примере полиакриламида ДП9-8177 [6,7,15,17].

Области применение флокулянтов:

в коммунальном хозяйстве, металлургии, машино- и приборостроении и других отраслях промышленности для интенсификации процессов очистки сточных вод, уплотнения осадков и обезвоживания шламов;

в горнодобывающей промышленности для интенсификации процессов осветления пульп, уплотнения, фильтрации и механического обезвоживания шламов и (или) целевых продуктов;

в целлюлозно-бумажной промышленности для удержания мелкого волокна и наполнителей в объеме формируемой бумажной массы, для интенсификации процессов водоподготовки, очистки сточных вод и обезвоживания шламов;

в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности для интенсификации процессов разделения фаз «твердое вещество-жидкость», «жидкость-жидкость», «жидкость - твердое вещество - жидкость», в том числе разделения нефтешламов;

в нефтедобывающей и других отраслях промышленности для использования в качестве загустителя в составе буровых растворов, связующего и загустителя в водоизолирующих составах и системах повышения нефтеотдачи, для интенсификации процессов очистки буровых растворов от выбуренных пород.

Также используют флокулянты для очистки воды бытового и промышленного назначения, обезвреживания сточных вод и жидких производств, отходов, при добыче и флотационном обогащении полезных ископаемых, концентрировании латексов (путем сливкоотделения), выделении микроорганизмов из культуральной жидкости, микробиолоическом производстве кормовых белков, инсектицидов, лекарственых препаратов, пищевых добавок и др. [6,14]. В зависимости от количества и дисперсности флокулируемой фазы, целей и условий флокуляции, типа применяемого реагента рабочие концентрации флокулянта изменяются в широких пределах. Например, при подготовке воды для промышленных и бытовых нужд флокулянты используют в концентрациях 0,1-50 мг/дм3, а при очистке бурового раствора от шлама -0,1-1,5 г/дм3. Во многих случаях для повышения эффективности действия флокулянтов их применяют в сочетании с неорганическими коагулянтами.

Способ подбора сорта флокулянта [7,12,18]:

·Оптимальным способом для подбора сорта флокулянта для использования в определенных целях является проведение лабораторного анализа субстрата (образца воды, шлама), который в дальнейшем будет подвергнут флокуляции;

·Существуют определенные базовые предпосылки, которые должны приниматься во внимание при подборе желаемого сорта флокулянта;

·Неорганические субстраты обычно требуют применения анионактивных полиэлектролитов для оптимальной флокуляции;

·Органические субстраты обычно требуют применения катионных полиэлектролитов для оптимальной флокуляции. Однако предварительная обработка таких субстратов при помощи неорганических коагулятов, таких как соли алюминия или железа, могут изменить данную ситуацию;

·Биологические субстраты обычно лучше всего взаимодействуют с высокоактивными катионными полиэлектролитами.


заключение


Проведен аналитический обзор литературы общих характеристик флокуляции, рассмотрен механизм процесса. Рассмотрено влияние различных факторов на процесс флокуляции, виды флокулянтов и их применение. Сделан вывод, что среди синтетических флокулянтов широко распространены полимеры и сополимеры акриламида, напр. технический полиакриламид (ПАА), в связи с низкой себестоимостью. Природные флокулянты (например, крахмал, полиальгинаты, эфиры целлюлозы, хитозан из отходов переработки крабов, креветок) мало используются, так как процессы их получения многостадийные, требуют больших затрат, а также малоизучены. Выявлено, что в основном флокулянты используют для очистки воды бытового и промышленного назначения, обезвреживания сточных вод и жидких производств.


ЛИТЕРАТУРА


1.Яковлев С.В., Карелин Я.А., Ласков Ю.М., Воронов Ю.В. Очистка производственных сточных вод: Учеб. пособие. - М.: Стройиздат, 1979 - 320

.Поповский М.В. Нормирование природных ресурсов в новых условиях хозяйствования - 1989 год. - №7 - С. 24-26.

3.Кочетков М.А. Охрана природы и улучшение использования природных ресурсов в легкой промышленности. - 1989 год. - №7. - с. 29-31.

.В.Е. Терновцев, В.М. Пухачев. Очистка промышленных сточных вод - К.: Будівельник, 1986 - 120 с.

.Запольский А.К. Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды. - Л.: Химия, 1987 - 208 с

.Бабенков Е.Д. Очистка воды коагулянтами - М.: Знание, 1983 - 64 с.

.В.В. Пушкарев, И.Д. Трофимов. Физико-химические особенности очистки сточных вод от поверхностно-активных веществ - М.: Химия, 1975 - 144 с.

.Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. - Л.: Машиностроение, 1986. - 253 с.

.В.Ф. Куренков. Полиакриламид - М.: Химия, 1992. -192 с.

.Небера В.П. Флокуляция минеральных суспензий.- М.: Недра, 1983-288 с.

.Вейцер Ю.И., Минц Д.М. Высокомолекулярные флокулянты в процессах очистки природных и сточных вод. М.: Стройиздат, 1984. 202 с.

.Баран А.А. Полимерсодержащие дисперсные системы - К: Наук. думка, 1986. - 204 с.

.Куренков В.Ф. Полиакриламидные флокулянты. М.: Химия, 1997.208с.

14.Василенко Л.В., Никифоров А.Ф., Лобухина Т.В. Методы очистки промышленных сточных вод: учеб. пособие. - Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. университет, 2009. - 174 с.

15. Воронов Ю.В., Яковлев С.В. Водоотведение и очистка сточных вод / Учебник для вузов: - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2006 - 704 с.


Теги: Физико-химические основы процесса флокуляции  Курсовая работа (теория)  Химия
Просмотров: 26563
Найти в Wikkipedia статьи с фразой: Физико-химические основы процесса флокуляции
Назад