Коагуляція, флотація, електрокоагуляція та електрофлотація

Размещено на http://www. аllbest.ru/

1. Коагуляція

Коагуляція - один з методів фізико-хімічного очищення стічних вод. Її переважно застосовують для очищення стічних вод від емульсій і суспензій, до складу яких входять колоїдні частинки розміром 0,001--0,1 мкм. Ці частинки мають електрозаряд, який виникає у результаті поглинання із водного розчину іонів. Заряд не дає можливості колоїдним частинкам злипатися і таким чином збільшує стійкість колоїдного розчину. Тому в колоїдний розчин додають коагулянти (солі алюмінію, заліза, магнію, вапно), які зменшують електрозаряд колоїдних частинок, унаслідок чого вони інтенсивно злипаються у великі частинки й осідають на дно очисної споруди.

Замість коагулянтів часто застосовують водні розчини полімерів, у молекулі яких містяться полярні функціональні групи (-ОН, -S0₃ Н, -NН₂) -- флокулянти. Частинки забруднювальних речовин під дією флокулянтів перетворюються в рихлу масу, що осідає на дно споруди.

Коагуляцію також можна здійснювати, пропускаючи стічні води через електролізер з анодом, виготовленим з алюмінію або заліза. Метал аноду під дією постійного електроструму переходить у стічну воду, утворюючи важкорозчинні гідроксиди алюмінію або заліза. Метод електрохімічного коагулювання широко застосовується для очищення стічних вод від масел, жирів, нафтопродуктів, хроматів і фосфатів.

Апарати для коагуляції зображені на рисунку 1.1.

Рисунок 1.1 - апарати для коагуляції

а - змішувач з перегородками: 1 - коридор; 2 - перегородка; 3 - вікно;

б - камера з перегородками для утворення пластівців: 1 - коридор; 2 - перегородки; 3 - вікно;

в - коагулятор-освітлювач: 1 - корпус;

2 - жолоб; 3 - отвір для відведення освітленої води; 4 - повітревідділювач; 5 - центральная труба; б - розподільні труби.

2. Флотація

Флотація -- один з методів фізико-механічного очищення стічних вод - найбільш поширений спосіб очищення стічних вод целюлозно-паперових і деревообробних підприємств. Флотацію успішно використовують для очищення стічних вод від маслопродуктів та інших легкоспливаючих речовин, що застосовуються в різних галузях промисловості.

Флотація -- це процес молекулярного прилипання частинок забруднювальних речовин до поверхні розподілу двох фаз: вода -- повітря, вода -- тверда речовина. Процес очищення стічних вод від легкоспливаючих речовин (розчинників, нафтопродуктів та ін.), волокнистих матеріалів за допомогою флотації полягає в утворенні системи "частинки забруднень -- бульбашки повітря", які спливають на поверхню та утилізуються.

Ефект розділення флотацією залежить від розміру й кількості бульбашок повітря. Дослідами встановлено, що оптимальним слід вважати розмір бульбашок 15--30 мкм. При цьому необхідний високий ступінь насичення води повітряними бульбашками. Питома витрата повітря знижується з підвищенням концентрації домішок, оскільки збільшується ймовірність зіткнення і прилипання частинок забруднювальних речовин до повітряних бульбашок. Важливе значення має стабілізація розмірів бульбашок у процесі флотації. Для цього у воду вводять різні піноутворювачі, що зменшують поверхневу енергію розділення фаз. До них належать: соснове масло, крезол, феноли, алкілсульфат натрію та ін.

Вага частинок не повинна перевищувати сили їх прилипання до бульбашок і підіймальної сили бульбашок.

Флотація може бути використана у поєднанні з флокуляцією. Цей процес інколи називають флоктацією.

Перевагами флотації є: безперервність і велика швидкість процесу, високий ступінь очищення (95--98 %), можливість рекуперації вилучених речовин, простота конструкції флотаційних установок, незначні капіталовкладення.

За принципом дії флотаційні установки класифікуються на такі види: з механічним диспергуванням повітря; з подачею повітря через пористі матеріали; електрофлотаційні та біологічні флотаційні установки.

На машинобудівних, деревообробних і целюлозно-паперових підприємствах доцільно застосовувати пінні, напірні, вакуумні хімічні та біологічні флотаційні установки. На рисунку 2.1 наведена напірна флотаційна установка.

Рисунок 2.1 - схема напірної флотаційної установки

Стічна вода трубопроводом 1 через отвори рівномірно надходить у флотатор 10. Одночасно трубопроводом 2 подається стиснене повітря, яке через насадки 11 з пористого матеріалу у вигляді дрібних бульбашок рівномірно розподіляється вздовж перерізу флотатора. При спливанні бульбашки повітря обволікають частинки забруднюваних речовин, збільшуючи швидкість їх спливання. Піна накопичується між дзеркалом води і кришкою 3 флотатора, відсмоктується відцентровим вентилятором 4 у збірник 5 і через трубопровід 6 спрямовується для обробки піни та вилучення з неї забруднювальних речовин. У процесі вертикального переміщення стічної води у флотаторі спостерігається насичення води киснем повітря. Очищена вода, огинаючи перегородку 9, зливається у водоприймач 7 і звідси трубопроводом 8 подається на переробку.

Ефект флотації з подачею повітря через пористі матеріали залежить від величини отворів у пористому матеріалі, тиску повітря, витрати повітря, тривалості флотації, рівня води у флотаторі. Досліди підтверджують, що розмір отворів у пористому матеріалі повинен становити від 4 до 20 мкм, тиск повітря ОД--0,2 МПа, витрати повітря 40--70 м/(м² х год), тривалість флотації 20--30 хв, рівень води в камері до флотації 1,5--2,0 м.

Крім флотації з механічним диспергуванням повітря, на підприємствах також застосовуються хімічна та біологічна флотації.

Хімічна флотація ґрунтується на введені в стічну воду хімічних реагентів для її обробки, які спричиняють хімічні процеси з виділенням газів: СО₂, С1₂ та ін. Бульбашки цих газів при деяких умовах можуть прилипати до нерозчинених твердих частинок і виносити їх у пінний шар. Таке явище, наприклад, спостерігається при обробці стічних вод хлорним вапном із введенням коагулянтів.

1 - мішалка; 2 - скребок; 3 - шламоприймач; 4 - флотаційна камера; 5 - реакційна камера.

Рисунок 2.2 - схема установка для хімічної флотації

Біологічна флотація застосовується для ущільнення осаду із первинних відстійників при очищенні побутових стічних вод. Для цього осад підігрівається водяною парою в спеціальній ємності до 35--55 °С і у таких умовах витримується декілька діб. У результаті діяльності мікроорганізмів виділяються бульбашки газів, які виносять частинки осаду в пінний шар, де вони ущільнюються.

3. Елетрокоагуляція

Стандартні, або типові, конструкції апаратів для електрокоагуляції відсутні. Існують, однак, схеми конструктивного оформлення електрокоагуляторів.

Електрокоагулятор звичайно являє собою корпус прямокутної або циліндричної форми, в який поміщають електродну систему - ряд електродів. Оброблювана вода протікає між електродами. За формою і розташуванням електродів електрокоагулятори поділяють на апарати з плоскими і циліндричними електродами, розташованими зазвичай вертикально, хоча відомі конструкції і з горизонтальними плоскими електродами. Переважно вертикальне положення електродів, що пояснюється більшою жорсткістю конструкції і незмінністю розмірів електродної системи, а також кращимими умовами видалення газів, що виділяються і протікання процесу флотації.

У залежності від характеру руху оброблюваної води електрокоагулятори можна розділити на однопоточні, багатопотокові з горизонтальним або вертикальним рухом води (рисунок 3.1).

а - однопоточний; б - багатопоточний з вертикальним рухом води; в - зі змішаним рухом води.

Рисунок 3.1 - Електрокоагулятори

При вертикальному напрямку руху води електрокоагулятори можуть бути протиточні (подача води зверху, тобто. в напрямку, протилежному руху бульбашок газу, які забезпечують флотацію) і прямоточні (подача води знизу).

Електрокоагулятори заабезпечують витяжним вентиляційним пристроєм для видалення газів, механічними пристроями для видалення флотаційних продуктів з поверхності води що очищується і осаду з нижньої частини апарату, а також пристроїми для очищення поверхні електродів і міжелектродного простору.

При очищенні стічних вод, що містять шкідливі або небезпечні речовини, електрокоагулятор повинен мати герметичний корпус, у який можна подавати інертний газ, постачений витяжкою і рівнеміром. Аноди і катоди часто виготовляють з одного й того ж матеріалу, що дозволяє підвищити ресурс роботи апарату, періодично змінюючи полярність електродів (реверс струму).

Із зовнішнього боку до корпусу на ізоляторах кріплять дві струмопідвідні мідні шини, які з'єднують з електродами. Підключення електродів до шини, а отже, і до джерела живлення може бути паралельним або послідовним. У першому випадку кожен електрод виконує функції або анода, або катода, тобто є монополярним, і підключається по черзі до анодного і катодного шинами джерела струму. У другому випадку струм підводиться тільки до двох крайніх електродів. Проміжні електроди працюють як біполярні: якщо з одного боку електрод є анодом, то на іншому боці його протікають катодні процеси.

Як правило, електрокоагулятор служить тільки для утворення гідроксидів металів і агрегації частинок; процес розподілу фаз проводять в інших апаратах: відстійниках, гідроциклонах та ін. Є конструкції, в яких ці процеси поєднані і протікають в одній камері. Приклад конструктивного оформлення електрокоагулятора з вертикальним розташуванням електродів для вилучення із стічних вод полімерних з'єднань, які після здійснення процесу коагуляції вдається відділити седиментацією, представлений на рисунку 3.2.

Апарат має герметичний прямокутний корпус 1 з гумованою внутрішньою поверхнею. Блок електродів становить собою набір пластин що чергуються, анодів (А1) і катодов (нержавіюча сталь). Подача води здійснюється в нижню частину апарата через перфоровану трубу 6, що дозволяє рівномірно розподіляти суспензію по довжині апарату.

1 - корпус; 2 - шнек; 3,4 - електроди; 5 - скребок; 6 - перфорована трубка; 7 - вал

Рисунок 3.2 - електрокоагулятор для очистки води від полімерних сполук

Дрібнодисперсні домішки, що містяться у воді після коагуляції осідають на дно апарату, звідки безперервно видаляються лопасним шнеком. Форма лопатей має Г-подібний перетин, що забезпечує захоплення осаду і частини рідкої маси, не чіпаючи осівший полімер.

Для очищення поверхні електродів від полімерних продуктів між кожною парою електродів встановлений скребок 5, який переміщається при обертанні валу 7. Шнек і шкребки мають загальний привід, і їх робота узгоджена. Верхня частина шнека піднята вище рівня води в апараті, так що через розвантажувальний патрубок шнека вода не виливається.

Електрокоагуляцію застосовують переважно в системах локального очищення стічних вод, забруднених тонкодисперсними і колоїдними домішками, від масел, нафтопродуктів, деяких полімерів, сполук хрому та інших важких металів. Вона знаходить застосування в процесах освітлення, для втрати кольору, знезараження і пом'якшення води в системах водопідготовки. Електрокоагуляція застосовується головним чином для очищення нейтральних і слаболужних вод.

Технологічна установка для очищення стічних вод електрокоагуляціею містить: очисний пристрій, апарат, в якому відбувається розподіл фаз, ємність для збору води і виділеної дисперсної фази, насоси і трубопроводи, а також джерело постійного струму.

Як приклад можна розглянути електрокоагуляційну установку безперервної дії для очищення стічних вод, що містять нафтопродукти та інші забруднення в дрібнодисперсному стані (рисунок 3.3). Оброблювана вода проходить спочатку попереднє грубе очищення в механічному фільтрі 1 і гідроциклоні 2. Процес електрокоагуляційного очищення відбувається в апараті 3, який є флотатором-відстійником з вбудованою в нього електродною системою. Частина скоагульованих домішок флотується, інша осаджується в нижній частині апарату. Флотаційні продукти з верхньої частини апарату, а також осад з нижньої частини відводяться у збірник 5, а освітлена вода після фільтрації поступає в оборот. Нафтопродукти зі збірника 5 виводяться на наступну переробку.

1 - фільтр; 2 - гідро циклон; 3 - електрокоагулятор; 4 - джерело струму; 5 - збірник; 6 - фільтр.

Рисунок 3.3 - електрокоагуляційна установка для очистки води від нафтопродуктів

4. Електрофлотація

В електрофлотаційних установках для проведення процесу флотації використовують газоподібні продукти - водень і кисень, що виділяються на електродах при електролізі води. На катоді відбувається розряд молекул води з утворенням водню:

2Н₂О + 2е > Н₂ + 2НО^-

На аноді процес окислення супроводжується виділенням кисню:

2Н₂О > О₂ + 4Н⁺ + 2е

Розмір бульбашок газу визначається природою і формою електродів, а також умовами проведення електролізу (щільністю струму, температурою і ін). Принципово електроліз дозволяє отримати заздалегідь заданий розподіл бульбашок газу по розмірам. Електролітичне диспергування газу забезпечує також одержання найбільш високодисперсної газової фази, що дозволяє використовувати електрофлотатора для очищення води від стійких колоїдних забруднювачів.

Електрофлотаційні установки (рисунок 4.1) поділяють за напрямком руху води і флотуючого газів в них на протиточні і прямоточні з горизонтальним або вертикальним розташуванням електродів.

А - з протитічним рухом води і газів; 1 - механізм для видалення піни; 2, 5 - перфоровані труби для подачі і виведення води; 3 - збирач піни; 4 - електроди; Б - з горизонтально направленим потоком води; 1, 3 - приймальна і випускаюча камери; 2 - робочі камери; В - змішане направлення потоків в багатокамерному апараті; 1 - приймальна і випускна камери; 3 - анод; 4 - катод; 5 - струмопідвідні шини; 6 - сепаратор.

Рисунок 4.1 - електрофлотатори

Електрофлотаційні апарати мають одну чи кілька камер. Багатокамерний електрофлотатора складається зазвичай з заспокоювача, електродних камер і флотовідстійника. Стічні води надходить в приймальну камеру, відокремлену від основної частини перегородки. Електродний блок представляє собою набір катодів і анодів. Проходячи через електроди, вода насичується газоутворюючими продуктами реакції, що призводить до спливання частинок.

Електроди виконують у вигляді пластин, проте частіше застосовують їх у вигляді дротяної сітки з міді або нержавіючої сталі. Розмір бульбашок газу, що залишають електроди, залежить від величини крайового кута змочування і кривизни поверхні електродів, тому, змінюючи діаметр дроту, вдається регулювати дисперсність газової фази. Оптимального розподілення за розмірами газових бульбашок, а також газонаповнення досягають варіюванням щільності струму на електродах.

При горизонтальному розташуванні електродів у флотаційній камері на них можуть осідати тверді частинки, які порушують нормальну роботу апарату. Є конструкції, що дозволяють позбутися від зазначеного недоліку. На рисунку 4.2 представлений електрофлотатор, в якому аноди виконані у формі тригранних призм, розташованих у шаховому порядку на дні апарату. Катоди представляють собою окремі дротові сітки, зігнуті під кутом і розташовані над анодами паралельно граням.

1 - корпус; 2 - нахилений жолоб; 3 - трубопровід теплоносія; 4 - випускаюча камера; 5 - випускний штуцер; 6 - катод; 7 - приймальна камера; 8 - анод.

Рисунок 4.2 - електрофлотатор з анодами у формі тригранних призм

Очищена вода надходить у приймальну камеру 7, звідки переливається у флотаційну камеру, в якій насичується бульбашками газу. Бульбашки газу флотують забруднюючі компоненти на поверхню, де частинки скупчуються у вигляді піни, яка віддаляється по похилому жолобу 2. Усередині жолоба проходить трубопровід 3 з гарячою водою. Піноподібна маса в результаті нагрівання частинок гасне і стікає в збірник. Звільнена від зважених часток вода переливається в камеру 4 і видаляється з апарату. Частинки, які важчі води, опускаються вниз і виводяться через штуцер 5.

Недоліком розглянутих конструкцій є можли вість утворення в процесі електролізу вибухонебезпечної суміші газів - 2/3 водню і 1/3 кисню. Відомі конструкції флотаторов, в яких анодний простір відділяється від катодного діафрагмою, яка перешкоджає змішання газів.

коагуляція флотація електрокоагуляція електрофлотація

Використана література

1. Оборудование, сооружения, основы проектирования химико-технологических процессов защиты биосферы от промышленных выбросов / Родионов А.И., Кузнецов Ю.П., Зенков В.В., Соловьев Г.С. Учебное пособие для вузов. - М., Химия, 1985. - 352 с., ил.

2. Промислова екологія: навч. посіб./ Апостолюк С.О., Джигирей В.С., Апостолюк А.С. та ін. - К.: Знання, 2005. - 474 с.

3. Родионов А.И. и др. Техника защиты окружающей среды/Родионов А. И., Клушин В. Н., Торочешников Н. С. Учебник для вузов. 2-ое изд., перераб. И доп. - М.: Химия, 1989.-612 с.: ил.

Размещено на аllbest.ru