Что такое способ коагуляции

Коагуляция воды. Виды коагуляции в водоподготовке

Способность дисперсных систем сохранять определенную степень дисперсности называется агрегативной устойчивостью.

Частицы дисперсной фазы сопротивляются слипанию за счет разных механизмов. Данная способность обусловлена во-первых образованием на поверхности частиц дисперсной фазы двойного электрического слоя, обеспечивающего электрическую стабилизацию дисперсной системы. Во-вторых, работает молекулярно-адсорбционный механизм стабилизации, заключающийся в образовании вокруг частиц слоёв адсорбции, состоящих из молекул дисперсной среды и растворённых в ней веществ. В-третьих, существует кинетический фактор устойчивости — малая частота столкновений дисперсных частиц.

Золи (коллоидные растворы) отличаются от грубодисперсных и молекулярных систем агрегативной неустойчивостью, поэтому они меняются как во времени, так и при добавках различных веществ.

Суть механизма очистки воды от взвешенных коллоидных частиц состоит в нарушении равновесного состояния системы — устранения баланса сил, не позволяющих частицам осесть.

Для достижения этой цели использует процесс коагуляции коллоидных примесей (упрощённо — коагуляция воды).

Коагуляция — процесс слипания коллоидов в более крупные агрегаты, происходящее в результате их столкновений при броуновском движении, смешении или направленном перемещении во внешнем силовом поле, добавлении коагулянтов. При этом происходит выпадение осадка — коагулята.

Коагулянты (обычно это растворимые соли железа или алюминия) интенсифицируют процесс коагуляции. Введение в воду этих веществ способствует образованию новой малорастворимой фазы (в результате гидролиза — взаимодействия вещества с водой). Таким образом, процесс коагуляции заключается в прогрессирующем укрупнении частиц и уменьшении их численности в объёме дисперсионной среды.

Коагуляция бывает медленная и быстрая. При медленной коагуляции только незначительная часть соударений частиц-коллоидов приводит их к слипанию, а коагулят не выпадает. При быстрой коагуляции каждое соударение обладает эффективностью и влечёт слипание частиц, а в коллоидном растворе постепенно образуется осадок.

Минимальную концентрацию дозируемого вещества (электролита или не электролита), инициирующего процесс коагуляции в системе с жидкой дисперсионной средой, называют порогом коагуляции. При определенных условиях коагуляция обратима. Процесс перехода коагулята обратно в золь называют пептизацией, а провоцирующие этот процесс вещества — пептизаторами. Пептизаторы, являясь стабилизаторами дисперсных систем, адсорбируются на поверхности частиц, ослабляя взаимодействие между ними, в результате чего происходит распад агрегатов. Особенно эффективно возврат в первичное состояние проходит при вводе в среду поверхностно-активных веществ, снижающих поверхностную межфазную энергию и облегчающих диспергирование.

Коагуляция с применением солей железа

Рассмотрим, какие процессы протекают при добавлении в коллоидный раствор сульфата железа (III). Этот коагулянт в водном растворе диссоциирует на ионы железа [Fe 3+ ] и сульфат-ион [SO₄ 2- ]:

Далее происходит многоступенчатый гидролиз, описываемый следующими уравнениями:

Fe 3+ + H₂O ↔ Fe(OH) 2+ + H +

Суммарное уравнение гидролиза:

Мицелла — структурная единица лиофобных (слабо взаимодействующих с жидкостью) коллоидов, не имеющая определенного состава. Схематически ее строение на примере мицеллы гидроксида железа (III) может быть изображено схемой:

Микрокристалл гидроксида железа, образующий коллоидную частицу (см. рисунок), избирательно адсорбирует из окружающей среды ионы, идентичные ионам его кристаллической решетки. В зависимости от химического состава раствора (избыток сульфат – ионов или избыток ионов железа) микрокристалл приобретает отрицательный или положительный заряд. Такой заряженный кристалл называется ядром мицеллы, а сообщают ему этот заряд потенциалопределяющие ионы.

Электрическое поле заряженной поверхности кристалла притягивает из раствора противоионы – ионы, несущие противоположный заряд. На границе раздела фаз образуется двойной электрический слой, толщину которого определяет внешняя граница облака противоионов.

Двойной электрический слой состоит из адсорбционой и диффузной частей. Адсорбционный слой включает в себя потенциалобразующие ионы и часть противоионов, адсорбированных на поверхности ядра. Диффузный слой достраивают остальные противоионы в количестве, способствующем электронейтральности мицеллы.

Двойной электрический слой, окружающий коллоиды, под воздействием коагулянтов (электролитов), перестраивается: противоионы начинают вытесняться из диффузной в адсорбционную часть, и толщина всего электрического слоя со временем уменьшается до толщины адсорбционного слоя. Дисперсные частицы попадают в область взаимного притяжения, и наступает быстрая коагуляция.

Коагуляция с применением солей алюминия

Чаще всего для очистки воды коагуляцией на отечественных станциях водоподготовки и в бассейнах используют 18-ти водный кристаллогидрат сульфата алюминия — Al₂(SO₄)₃ • 18 H₂O.

Процессы, протекающие при введении в воду солей алюминия, аналогичны вышеописанным при добавлении солей железа:

Al 3+ + H₂O ↔ Al(OH) 2+ + H +

Суммарное уравнение гидролиза:

Образование осадка гидроксида алюминия происходит при значениях рН в диапазоне от 5 до 7,5. При рН осадок не образуется. При рН > 8,5 идет растворение образованного гидроксида алюминия с образованием алюминатов.

Современные коагулянты

Все большее распространение в процессах водоподготовки и очистки сточных вод получают коагулянты на основе полиоксихлорида алюминия.

Преимущества этих коагулянтов по сравнению с сульфатом алюминия:

• Поставка в виде растворов, что делает более удобным их применение (не надо растворять);

• Большее процентное содержание активного вещества;

• Получение очищенной воды более высокого качества;

• Сокращение объёма вторичных отходов;

• Низкое остаточное содержание алюминия (

• Не требуется корректировать рН;

• Широкий диапазон рабочих температур.

Технические характеристики таких коагулянтов производства ОАО «АУРАТ»:

Контактная коагуляция

Один из вариантов очистки методом коагуляции — контактная коагуляция. Контактная коагуляция происходит на зёрнах загрузки напорных вертикальных фильтров механической очистки. При этом введение коагулянта осуществляется непосредственно перед механическим фильтром. Зерна загрузки и частицы, адсорбированные на них, служат центрами коагуляции. Процесс хлопьеобразования в этом случае значительно ускоряется.

Протекание процесса коагуляции с более высокой скоростью и отсутствие необходимости в отстойниках для формирования и осаждения хлопьев осадка являются несомненными преимуществами контактной коагуляции.

К недостаткам контактной коагуляции относится ускоренное загрязнение напорных фильтров и потребность в частой регенерации загрузки, а также опасность проскока реагента в случае неправильного подбора режима коагуляции/фильтрования.

Чтобы проверить — осуществляется ли контактная коагуляция или нет, воду после механических фильтров проверяют на содержание коагулянта.

Уважаемые господа, если у Вас имеется потребность реализации очистки воды с помощью коагулянтов для доведения качества воды до определённых нормативов, сделайте запрос специалистам компании Waterman . Мы разработаем для Вас оптимальную технологическую схему очистки воды.

Источник

Коагуляция (дисперсная система)

Из Википедии — свободной энциклопедии

Коагуляция (от лат. coagulatio — свертывание, сгущение) и флокуляция (от лат. flocculi — клочья, хлопья) — физико-химические процессы слипания мелких частиц дисперсных систем в более крупные агрегаты [1] [2] под влиянием сил сцепления с образованием коагуляционных структур [K 1] .

Коагуляция ведёт к выпадению из коллоидного раствора осадка или к застудневанию. Коагуляция может быть как самопроизвольной (старение) с расслаиванием коллоидного раствора на твёрдую фазу и дисперсную среду и достижением состояния минимальной энергии, так и искусственно вызванной с помощью специальных реактивов (коагулянтов или флокулянтов).

Коагуляция — это процесс уменьшения степени дисперсности и числа частиц дисперсной системы путём слипания первичных частиц. В результате коагуляции обычно происходит выпадение (седиментация) дисперсной фазы или хотя бы изменение свойств первичной дисперсной системы.

Флокуляция — вид коагуляции, при которой укрупнённые частицы дисперсной фазы представляют собой крупные рыхлые хлопьевидные агрегаты – флокулы [2] [4] , способные к быстрому оседанию или всплыванию [5] . В качестве флокулянтов часто применяют синтетические полимерные материалы, в частности полиакриламид. Макромолекулы полимеров одновременно адсорбируются на нескольких дисперсных частицах с образованием связующих мостиков между частицами дисперсной фазы, как бы склеивающих эти частицы в крупные агрегаты [6] [7] . Из неорганических флокулянтов применяют активную кремниевую кислоту [8] . Мостиковый механизм и обусловленная размерами макромолекул флокулянтов бóльшая рыхлость образующихся агрегатов отличают флокуляцию от обычной коагуляции, при которой происходит непосредственная агрегация частиц [9] [10] . При очистке природных вод высокомолекулярные флокулянты часто используют совместно с коагулянтами: флокулянты «сшивают» микрохлопья, возникшие в результате введения коагулянтов. При этом микрохлопья объединяются в крупные агрегаты, седиментация которых протекает значительно быстрее [11] .

Коагуляционные структуры образуются при потере дисперсной системой агрегативной устойчивости, при достаточном содержании дисперсной фазы обеспечивается армирование всего объема дисперсной системы. Соответствующее содержание коллоидно-дисперсной фазы, способное «отверждать» жидкую дисперсную среду, может быть очень малым (особенно в случае резко анизометрических частиц), например всего лишь несколько процентов по массе для бентонитовых глин, и еще значительно меньше для нитевидных частиц.

Характерным свойством коагуляционных структур наряду с относительно невысокой прочностью является их обратимость по отношению к механическим воздействиям — способность к самопроизвольному восстановлению после механических разрушений (в подвижной дисперсной среде); это свойство называют тиксотропией. Коагуляционные дисперсные структуры образуются пигментами и наполнителями лаков, красок, полимеров. Характерный пример тиксотропных структур — это пространственные сетки, возникающие в дисперсиях глин при их коагуляции под действием электролитов.

Теория коагуляции (М. Смолуховский) развита на основе следующих представлений: частицы дисперсной фазы совершают независимое друг от друга броуновское движение до тех пор, пока при сближении двух частиц расстояние между их центрами не делается равным так называемому радиусу сферы влияния d. Эта величина приблизительно равна сумме радиусов частиц, что соответствует их непосредственному контакту. На этом расстоянии появляются (сразу, скачком!) силы взаимодействия между частицами, в результате чего создается возможность их агрегирования. В результате коагуляции происходит взаимодействие только двух частиц, так как вероятность столкновения большего числа частиц очень мала. Таким образом, сталкиваются одиночные частицы, образуя двойные, одиночные с двойными, двойные друг с другом, тройные с одиночными и т. д. Такое представление процесса коагуляции позволяет формально свести его к теории бимолекулярных химических реакций.

Источник

Очистка воды коагуляцией и фильтрацией

Подавляющее число водоочистных сооружений в мире используют одни и те же технологии. И последовательно применяют такие методы очистки: коагуляция (+ флокуляция), отстаивание, фильтрацию и обеззараживание. Это наиболее распространенная схема очистки грязной воды и водоподготовки питьевой, которая используется с начала 20 века.

В этой статье мы в основном будем говорить о водоподготовке. Хотя эти же способы используются и для очистки сточных вод.

Авторы: Родион Магомедов, Алексей Кулаков
Время прочтения: 8 мин.

Метод очистки воды коагуляцией

Задача процесса водоподготовки подразумевает удаление из поверхностных, грунтовых вод различных механических примесей, коллоидных и взвешенных веществ. Повысить эффективность водоподготовки помогает метод очистки воды коагуляцией. Коагулирование обеспечивает лучшее выпадение загрязнений в осадок, тем самым ускоряя дальнейшее осаждение и фильтрацию.

Что такое коагуляция и флокуляция?

Коагуляция (Coagulatio — свертывание, сгущение, укрупнение) простыми словами — это объединение мелких частиц в более крупные. Коагуляция приводит к объединению мельчайших взвешенных примесей и выпадению их в виде хлопьевидного осадка.

Реагенты, применяемые для коагуляции, называют коагулянтами. Для коагуляции обычно используют соли алюминия или железа, такие как сульфат алюминия и сульфат или хлорида железа.

Главная особенность коагулянтов – их частицы имеют положительный заряд. Растворенные и взвешенные примеси заряжены отрицательно. Поэтому, в результате взаимодействия коагулянта и взвесей, они слипаются и образуют более крупные образования.

Рис 1: Коагуляция, флокуляция и осаждение

Иногда после коагулянта добавляют еще и флокулянт. Флокулянт — это компонент на основе полимера, который склеивает коагулированные взвеси между собой. В результате, удаляемые примеси собираются в крупные хлопья (флокулы), которые легче отфильтровать или собрать в осадок. Чем больше и тяжелее частица, тем быстрее она оседает или задерживается на фильтрующем материале.

В таблице ниже представлено как время осаждения включений зависит от их размера.

Диаметр частиц	Примеры включений	Время осаждения в слое воды высотой 1 метр
10 мм	Гравий	1 сек
1 мм	Песок	10 сек
0,1 мм	Мелкий песок	2 минуты
10 микрон	Одноклеточные микроорганизмы, микроскопические водоросли, элементы глины	2 часа
1 микрон	Бактерии, микроскопические водоросли	8 дней
0,1 микрон	Вирусы, дисперсные частицы	2 года
10 нм	Вирусы, коллоидные минералы	20 лет
1 нм	Вирусы, коллоидные минералы	200 лет

В процессе очистки методом коагуляции важно также время реакции и качество смешения реагента с водой. Коагулянт добавляют в воду, где он быстро смешивается и дальше циркулирует по системе. После реагентной обработки воду можно напрямую подавать на следующую по технологии стадию очистки, например:

После реагентной обработки воду можно напрямую подавать на следующую по технологии стадию очистки, например:

• на механические фильтры с зернистой засыпкой (песок, гравий);
• на отстойник, где флокулы оседают на дно под действием силы тяжести;
• на флотатор(метод очистки сточных вод), где взвешенные примеси удаляют пенной флотацией;
• на установки микро или ультрафильтрации.

Какие примеси убираются при очистке воды методом коагуляции?

Методом коагуляции из воды эффективно удаляют:

• Природные органические вещества и органические соединения, включая растворенные
• Взвешенные частицы, включая неорганические вещества (например, железо)

Высокое содержание органических соединений может вызвать неприятных вкус или запах или окрасить воду в коричневый оттенок. Однако, несмотря на то, что коагуляция удаляет часть взвешенных и некоторое количество растворенных частиц, в воде могут оставаться вирусы и бактерии.

В международном исследовании, опубликованном в 1998 году, приводятся данные, что коагуляция и осаждение удаляют от 27 до 84 процентов вирусов и от 32 до 87 процентов бактерий. Но обычно патогенные микроорганизмы удаляются из воды, только потому, что оттуда удаляются растворенные частицы, к которым они прикреплены.

На картинке ниже в воду был добавлен коагулянт и взвеси начали склеиваться и оседать.

Рис.2: Лабораторный тест коагулянта на станции водоподготовки

Хотя коагуляция не может задержать все мельчайшие организмы и вирусы она является важным предварительным элементом очистки, поскольку удаляет растворенные органические примеси, которые затрудняют последующее обеззараживание. В этом случае после коагуляции требуется меньшее количество хлорсодержащих веществ, необходимых для полного обеззараживания воды.

Это позволяет городским очистным сооружениям удешевить процесс, так как используется меньше хлорсодержащих компонентов. При этом качество воды будет выше, потому что снижается содержание тригалометанов, которые образуются как побочный продукт при реакции хлорсодержащих соединений с органическими примесями.

Чтобы сократить количество вредных веществ в чистой воде, следует соблюдать технику безопасности и не превышать дозировку обеззараживающих компонентов, так как в процессе реакции образуются дополнительные примеси и побочные продукты. Их состав зависит от используемого реактива. Примеры коагулянтов и образующихся соединений:

Коагулянт	Образующиеся элементы
Сульфат железа (например, FERIX-3)	Сульфаты, Fe
Хлорид железа	Хлориды, Fe
Сульфат алюминия	Сульфаты, Al

Большинство городских очистных станций используют в качестве коагулянта сернокислый алюминий. Обычно дозировка рассчитывается таким образом, чтобы все примеси извлекались с осадком.

Тем не менее, допускается, что очищенная вода, в которую добавлялись коагулянты на основе алюминия, может содержать некоторое количество алюминия.

Метод очистки воды фильтрацией

Фильтрование — способ механической очистки, при котором очищаемая жидкость проходит через слой фильтрующего пористого материала, где задерживаются частицы определенного размера. С ее помощью можно проводить как грубую, так и тонкую очистку.

Метод фильтрации широко распространен, как в крупных установках водоочистки, так и в бытовых фильтрах малой производительности.

Что происходит с водой во время процесса фильтрации?

Обычно в современных станциях очистки после коагуляции вода под напором поступает на фильтрационную установку, где удаляются примеси за счет продавливания потока, через засыпанный материал. При этом фильтры могут быть сорбционными (используются зернистые сорбенты) или механическими (примеси улавливаются в зазорах между зернами минеральной засыпки). Установки механической фильтрации могут содержать засыпку различной зернистости и в зависимости от этого задерживать загрязнения разной величины.

На рисунке ниже приведен образец самодельного фильтра с несколькими слоями засыпки, которые удерживают разные частицы. Например, диаметр мелкозернистого песка равен 0.1 мм, таким образом, только частицы мельче 0.1 мм могут пройти через этот слой. Но следуют помнить, что такая система сама по себе не обеспечивает достаточного качества воды, так как многие вредные примеси меньше 0.1мм (например, вирусы имеют размер 0.000001мм и меньше).

Рис.3: Самодельный фильтр

Существуют два основных типа фильтрации через песок и гравий: медленная и ускоренная

Медленная песчаная фильтрация

Медленные песочные фильтры (также называются английскими) для очистки воды используют бактерии. Микроорганизмы размножаются в верхнем слое песка и со временем там образуется слой, который называют «schumtzdecke» (немец. – грязное одеяло) или биопленкой.

Этот слой нужно чистить раз в два месяца, когда он становится слишком толстым или когда его пропускная способность снижается слишком сильно. После того как биопленка удалена, бактериям нужно несколько дней, чтобы вновь размножиться. После этого систему можно использовать снова.

Медленные песчаные фильтры применялись на протяжении многих лет. Первые системы начали эксплуатироваться в 19 веке в Лондоне. Недостаток подобных систем – габариты. Иначе говоря, требуется большая площадь песчаного слоя, поскольку вода просачивается через песок слишком медленно – средняя скорость составляет 0.1-0.3 метра в час.

Размеры и регулярные остановки на очистку привели к тому, что в начале 20 столетия водоподготовка медленной фильтрацией стала заменяться ускоренной.

Быстрые песчаные фильтры

Скорые фильтры используют не биологический, а физический способ задержания примесей. Подобные системы получили широкое распространение благодаря небольшим размерам и высокой производительности. По конструкции такие фильтры бывают напорные и самотечные. Во время напорной фильтрации вода проходит через песок со скоростью до 20 метров в час. Очистка обычно проводится дважды в день обратной промывкой, после чего фильтр возвращается в работу.

Однако современные технологии позволяют повысить эффективность медленных фильтров и уменьшить их размеры. Более того, есть примеры, когда современные методы очистки не смогли обеспечить нужного качества, а более «древние» – справились. Так, например, д-р Ханс Питерсон (Канада) обнаружил, что применение биологического процесса в сочетании с быстрыми фильтрами позволяет очистить воду из канадских озер до требуемых показателей.

Возможности современных способов очистки, таких как осаждение и песчаная фильтрация, приведены на схеме ниже, где они сравниваются с мембранными системами: обратным осмосом, ультра и нанофильтрацией. Мембранные системы можно еще назвать фильтрами тонкой очистки.

Рис.4: Возможности технологий фильтрации воды

Минеральные включения размером более 1 мм (графий, песок) можно удалить осаждением. Загрязнения размером 0.1мм (мелкозернистый песок) удаляются на песчаных фильтрах. Но со временем поры забиваются, и примеси не отфильтровываются. Поэтому иногда используют комбинацию материалов, чтобы большие частицы не закупоривали отверстия слишком рано.

Используя для засыпки более мелкозернистые материалы и добавляя коагулянт можно удалять частицы размером от 1 до 100 микрон.

Что удаляется во время фильтрации?

Размер удаляемых частиц, зависит от типа фильтрующей установки. Медленные фильтры удаляют простейшие одноклеточные микроорганизмы и вирусы. В результате получается довольно чистая вода, хотя в качестве мер предосторожностей мы рекомендуем обеззаразить ее.

Быстрые фильтры задерживают взвешенные частицы, к которым могут прикрепляться бактерии, тем не менее, очищенная вода содержит и бактерии. и вирусы.

Таким образом, хотя очистные сооружения задерживают большое количество вредных примесей, после фильтрации требуется обеззараживание, чтобы получить пригодную для питья воду.

Однако, несмотря на то, что скорые песочные фильтры не могут удалить бактерии и вирусы, механическая фильтрация – это важный элемент очистных сооружений. Подобно коагуляции, фильтрация удаляет взвешенные и растворенные вещества. Это также снижает потребность в хлорсодержащих соединениях, требуемых для обеззараживания.

Наша компания производит станции водоподготовки в блочно-модульном исполнении, для обеспечения водой поселков и промышленных объектов, которые удалены от коммуникаций центрального водоснабжения. В технологии очистки применяем методы коагуляции и фильтрации в напорном режиме на механических и сорбционных фильтрах, а также различные способы обеззараживания обеззараживания.

Предыдущая статья

Источник