Решение:

[окалина = Fe3O4+Fe2O3]

1.Скорость осаждения:

2.Удельная гидравлическая нагрузка:

q=3.6•1.2•0.0356=0.154 м3/м2•с.

3.Площадь поперечного сечения и диаметра аппарата:

4.Если при расчете оказалось, что D>10 м, то необходимо использовать несколько параллельно расположенных гидроциклонов:

Если диаметр меньше 2 м, то выбирается другой вид гидроциклона - напорный.

5.Определяем высоту, которая в гидроциклонах ? диаметру:

Н= D= 2 м, следовательно, диаметр одного входного патрубка: dвх=0,1D=0.2 м

б=60°

6.Определяем концентрацию твердых частиц в сточной воде на выходе из гидроциклона:

7.Кличество шлама, образовавшегося за 1 час работы гидроциклона:

Р=1,2•0,483•3600=1044 кг

Методы очистки сточных вод от тонкодисперсных взвесей.

Кроме флотации к этим методам относятся коагуляция, флокуляция, адсорбция ионный обмен, экстракция, ректификация, выпаривание, дистилляция, обратный осмос, ультрафильтрация, кристаллизация, десорбция. Эти методы используются для удаления из сточной воды не только тонкодисперсных взвешенных частиц (твердых и жидких), но и растворимых газом минеральных и органических веществ, при этом достигается более глубокая и стабильная степень очистки. Выбор того или иного метода очистки или их сочетания производят с учетом санитарных и технических требований, предъявляемых к очищаемым производственным сточным водам, а также с учетом наличия необходимых материальных и энергетических ресурсов и экономичности процесса в целом.

Коагуляция.

Коагуляция - это процесс укрупнения дисперсных частиц и объединение их в агрегаты при очистке сточных вод. Ее применяют для ускорения и увеличения эффективности осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ. Коагуляция наиболее эффективна при удалении из воды коллоидно-дисперсных частиц размером 1-100 мкм. Коагуляция может происходить самопроизвольно или под действием добавляемых в воду специальных веществ - коагулянтов. Кислоты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под воздействием силы тяжести. Хлопья гидроксидов обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их, при этом коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов - слабый положительный заряд, вследствие чего возникает взаимное притяжение.

Чтобы вызвать коагуляцию коллоидных частиц, необходимо иметь достаточный электрический потенциал. Эффект коагуляции зависит также от валентности иона - коагулянта, несущего заряд, противоположный заряду частицы. Чем выше валентность, тем более эффективно коагулирующее действие. Поэтому в качестве коагулянтов используются соединения на основе многовалентных металлов: Al2(SO4)3•18H2O, NaAlO2, Al2OH5Cl, тетраоксосульфаты алюминия с калием и аммония Kal(SO4)2•12H2O и аммиачные NH4Al(SO4)2•12H2O.

Сульфат алюминия наиболее эффективен в интервале значений рН=5-7,5. Он хорошо растворим в воде и имеет относительно невысокую стоимость. Применяют его в сухом виде или в виде 50%-ного раствора. Алюминат натрия применяют так же в сухом виде или в виде 45%-ного раствора. Алюминат натрия наиболее эффективен в щелочных средах с рН=9,3-9,8, способствует образованию быстро осаждающихся хлопьев. При необходимости нейтрализации избыточной щелочности могут использоваться кислоты или дымовые газы, содержащие СО2. тогда образование гидроксида алюминия протекает по реакции:

2NaAlO2+CO2+3H2O - 2Al(OH)3+Na2CO3

В большинстве случаев используется смесь алюмината натрия и сульфата алюминия в соотношении от 10:1 до 20:1. Совместное употребление этих солей дает возможность повысить эффект осветления, увеличить скорость и плотность осаждения хлопьев, расширить оптимальную область рН среды.

6NaAlO2+Al2(SO4)3+12H2O - 8Al(OH)3+3Na2SO4

Оксихлорид алюминия обладает меньшей кислотностью, поэтому пригоден для очистки слабощелочных вод, в виду присутствия в нем водорастворимого алюминия ускоряется хлопьеобразование и осаждение коагулированной взвеси. Из солей наиболее часто применяется в качестве коагулянтов сернокислое железо в виде Fe2(SO4)3•2H2O, Fe2(SO4)3•3H2O и FeSO4•7H2O, а также хлорное железо. Наибольшее осветление происходит при использовании хлорного железа. Хлорное железо применяется в сухом виде или в виде 10-15%-ных растворов. Сульфаты используются в виде порошков, доза коагулянта зависит от рН сточной воды. Для Fe3+ рН=6-9, а для Fe2+ рН=9,5 и выше. Для подщелачивания сточной воды используют гидрид натрия и Са(ОН)2. Образование гидроксида с применением хлорного железа идет по реакции:

FeCl3+3H2O > Fe(OH)3+3HCl

а с использованием сульфатов, например железа (при условии подщелачивания):

Fe2(SO4)3+6H2O>2Fe(OH)3+3H2SO4

Соли железа как коагулянты имеют ряд преимуществ перед солями алюминия: лучшее действие при низких температурах сточных вод, более широкая область оптимальных значений рН среды, большая прочность и гидравлическая крупность хлопьев, способность устранять вредные запахи и привкусы, обусловленные присутствием сероводорода. Но есть и недостатки: образование при реакции катионов железа с некоторыми органическими соединениями окрашиваемых растворимых комплексов, сильные кислотные свойства, усиливающие коррозию аппаратуры, мене развитая поверхность хлопьев. При использование смесей FeCl3 и Al2(SO4)3 в соотношении от 1:1 до 1:2 достигается лучший результат коагулирования, чем при их раздельном использовании. Происходит ускоренное осаждение хлопьев.

Кроме этих эффективных широко применяемых солей в качестве коагулянтов используют глины, алюминий-содержащие отходы производств, травильные растворы, пасты, смеси, шлаки, содержащие диоксид кремния. Состав глинистых минералов: 70% SiO2, 24% Al2O3, 4% FeOx, 1-2% Na2O+K2O.

Оптимальную дозу коагулянта устанавливают на основе пробного процесса коагулирования. Скорость коагуляции зависит от концентрации веществ. По мере роста концентрации примесей в сточной воде степень коагуляции увеличивается. Влияет также на эффективность коагуляции разброс диапазона дисперсности частиц. В полидисперсных системах коагуляция происходит быстрее, чем в монодисперсных, так как крупные частицы при оседании увлекают за собой более мелкие. Влияет форма частиц, например, удлиненные частицы коагулируют быстрее, чем шарообразные. Размер хлопьев в пределах 0,5-3 мм определяется соотношением между молекулярными силами, удерживающими частицы вместе и гидродинамическими усилиями отрыва, стремящимися разрушить агрегаты.

Флокуляция.

Флокуляция - это процесс агрегации взвешенных частиц за счет добавления в сточные воды высоко молекулярных соединений, называемых флокулянтами. В отличии от коагуляции, при флокуляции агрегация частиц происходит не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия молекул, адсорбированных на частицах флокулянта.

Флокуляцию проводят, в основном, для интенсификации процесса коагуляции (например, после обработки гидроксидом железа) с целью увеличения скорости осаждения. Флокулянты бывают синтетические и природные. К природным относятся крахмал, декстрин, эфиры, целлюлоза. Наиболее распространенными флокулянтами являются полиакриламиды [СН2-СН-СООNН2]n. Полиакриламиды бывают технические (ПАА) и гидрализованные (ГППА).

ПАА получают взаимодействием акрилонитрила серной кислотой с последующей полимеризацией акриламида. При выборе состава и дозы флокулянта учитывают свойства его макромолекул и природу диспергированных частиц. Оптимальная доза ПАА для очистки промышленных сточных вод ? 0,8-1 г/м3. ПАА действуют в широком диапазоне рН среды, но при рН больше 9 скорость осаждения хлопьев несколько снижается. Механизм действия флокулянтов основан на следующих явлениях: способности к адсорбции флокулянтов на твердых частицах, ретикуляции (образование сетчатой структуры) молекул флокулянта и др. Причиной возникновения разветвленных структур хлопьев является адсорбция макромолекул флокулянтов на нескольких частицах с образованием между ними полярных мостиков.

Флотация.

Флотацию применяют для удаления из сточных вод нерастворимых диспергированных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются. В некоторых случаях флотацию используют и для удаления растворенных веществ, например ПАВ. Такой процесс называют пенной сепарацией или пенным концентрированней. Флотацию применяют для очистки сточных вод многих производств: нефтеперерабатывающих, искусственного волокна, целлюлозно-бумажных, кожевенных, машиностроительных, пищевых, химических. Ее используют также для выделения активного ила после биохимической очистки.

Достоинством флотации является непрерывность процесса, широкий диапазон применения, невысокие капитальные затраты, высокая степень очистки (95-98%), возможность дальнейшей рекуперации удаляемых веществ. Флотация сопровождается аэрацией сточной воды, пониженной концентрацией ПАВ, легкоокисляемых веществ, бактерий, микроорганизмов. Все это способствует успешному проведению последующих стадий очистки сточных вод.

Элементарный акт флотации заключается в следующем: при сближении подымающегося вверх пузырька воздуха с твердой гидрофобной частицей, разделяющая их прослойка воды при некоторой критической величине прорывается и происходит слияние пузырька с частицей. Затем комплекс пузырек-частица поднимается на поверхность воды, где пузырьки собираются, образуя пенный слой с более высокой концентрацией частиц в исходной сточной воде. При закреплении пузырька на поверхности твердой частицы образуется как бы трехфазная периметрлиния, ограничивающая площадь прилипания пузырька и являющаяся границей трех фаз: твердой, жидкой, газообразной.

На величину смачивания поверхности взвешенных частиц водой влияют адсорбционные явления и присутствие в воде примесей ПАВ и электролита. ПАВ, адсорбируясь на частицах, понижают их смачиваемость водой, т.е. делают их гидрофобными. В качестве реагентов-собирателей применяют также мыла, жирные кислоты, меркаптаны, амины и др. повышение гидрофобности частиц можно достичь и сорбцией молекул растворенных газов на их поверхности. Энергия образования комплекса пузырек-частица равна:

у - поверхностное натяжение воды на границе с воздухом для частиц, хорошо смачиваемых водой и>0, а соsи>1, следовательно, прочность прилипания минимальна для несмешиваемых частиц.

Эффект разделения флотации зависит от размера и количества пузырьков воздуха. Оптимальный размер должен находиться в пределах 15-30 мкм при большой степени насыщения воды пузырьками. Удельный расход воздуха в ходе процесса снижается с ростом концентрации примесей, так как увеличивается вероятность столкновения и прилипания. Большое значение имеет стабилизация размеров пузырьков в процессе флотации. Для этой цели вводят дополнительно в сточные воды пенообразователи, которые снижают поверхностную энергию раздела фаз. К пенообразователям относятся сосновое масло, крезол, фенолы, алкисульфат натрия и др. Вес частиц не должен быть больше силы прилипания ее к пузырьку и подъемной силы пузырька. Размер частиц, которые хорошо фильтруются, зависит от плотности материала и колеблется в пределах 0,2-1,5 мм.

Различают следующие способы флотационной обработки сточных вод- с выделением воздуха из растворов; с механическим дисперпфованием воздуха; с подачей воздуха через пористые материалы, электрофлотацию и химическую флотацию.

Флотация с выделением воздуха из раствора. Этот способ применяют для очистки сточных вод, которые содержат очень мелкие частицы загрязнений. Сущность способа заключается в создании пересыщенного раствора воздуха в сточной жидкости. При уменьшении давления из раствора выделяются пузырьки воздуха, которые флотируют загрязнения. В зависимости от способа создания пересыщенного раствора воздуха в воде различают вакуумную, напорную и эрлифтную флотацию.