Коагуляция и флокуляция

Размещено на http://www.allbest.ru/

Коагуляция и флокуляция

Для ускорения процесса осаждения частиц в гравитационном поле необходимо ускорить наступление процесса хлопьеобразования, т.к. крупные хлопья (флокулы) оседают быстрее, чем отдельные частицы. Для этого используют коагуляцию или флокуляцию частиц.

Коагуляция - нарушение агрегативной устойчивости коллоидной системы в сторону укрупнения частиц за счет их слипания под действием молекулярных сил притяжения. Происходит из-за нейтрализации электрических зарядов на поверхности частиц и снижения сил отталкивания. Наиболее эффективными коагулянтами являются соединения, содержащие многовалентные ионы - FeCl₃, CaCl₂, H₂SO₄.

Флокуляция - процесс, происходящий в результате искусственной гидрофобизации поверхности частиц гетерополярными собирателями, которые адсорбируются на поверхности частиц, уменьшают силы взаимодействия частиц с водой и увеличивают силы притяжения между частицами. Для руд применяются - ксантогенаты, амины, олеаты.

Для углей используется флокуляция полимерами (мостиковая флокуляция). Молекулы полимеров имеют цепочечное строение. Атомы углерода соединены ковалентными связями под углом 109⁰ и образуют зигзагообразные цепи. Цепи имеют ответвления - функциональные (или боковые) группы. Ими макромолекула закрепляется на флокулирующих частицах, объединяя их во флоккулу.

Образование флокулы из частиц угля (черный цвет). Фотография получена под микроскопом при увеличении в 20 000 раз, для наглядности молекулы флокулянта выделены серым цветом.

В зависимости от свойств функциональных групп и степени их диссоциации в воде полимерные флокулянты (ПФ) делятся на ионогенные и неионогенные. Ионогенные ПФ подразделяются на анионактивные, катионактивные и амфотерные.

Если функциональные группы макромолекулы ПФ взаимодействуют с водой (диссоциируют), то углеводородная цепь выпрямляется и приобретает волоконную (фибриллярную) форму. При отсутствии электростатического отталкивания между недиссоциированными функциональными группами действую силы притяжения Ван-дер-Ваальса. Тогда молекула приобретает форму клубка (глобулярную форму).

Растворы ПФ при хранении стареют, что подтверждается снижением их вязкости. Это связано с деструкцией молекул под влиянием кислорода, содержащегося в растворе.

Процесс сближения и агрегирования частиц определяется рядом характеристик системы: величиной о-потенциала, размерами частиц, температурой, гидромеханическими условиями. Если отталкивающие силы малы и нет энергетического барьера, который частицы должны преодолевать при сближении, то происходит самопроизвольная коагуляция.

Эффективность флокуляции определяют три основных фактора: 1) флокулянт, 2) суспензия, подвергаемая флокуляции, 3) условия контакта флокулянта с суспензией.

Свойства флокулянта влияют следующим образом.

По мере увеличения молекулярной массы флокулянта (увеличения степени полимеризации) увеличивается максимальная скорость осаждения суспензий при снижении концентрации раствора флокулянта.

Растворение флокулянтов производится в 2 стадии: 1) гель или порошок (гранулы) растворяют до 1% концентрации, 2) перед применением 1% раствор разбавляют до 0.05-0.1%.

Вязкость растворов (технологические свойства флокулянтов) зависит от условий растворения. Частота вращения мешалки должна быть не более 100 об/мин. При приготовлении растворов ПФ нельзя применять центробежные насосы, рационально применение пропеллерных мешалок (n < 500 об/мин) и пневматических устройств.

Условия хранения - гранулы ПФ можно хранить до 2,5 месяцев при температуре -15+20⁰ в упаковке в сухом помещении. Гелеобразные ПФ можно транспортировать и хранить при положительной температуре без доступа солнечного света. Растворы хранят до 8-13 дней, иначе скорость осветления снижается в 2 раза.

Влияние РН среды - на ОФ техническая вода близка к нейтральной среде, что не ухудшает свойства флокулянта. Для гидролиза ПФ добавляют щелочь.

Свойства суспензии, имеющие значение для флокуляции.

Дисперсность твердой фазы необходимо учитывать при выборе молекулярной массы ПФ. Если размеры частиц и макромолекул сильно отличаются, флокулы не образуются, хотя и происходит адсорбция молекул ПФ. Для тонких частиц нужны ПФ с низкой (<10⁵) или средней (10⁵ - 10⁶) молекулярной массой. При увеличении дисперсности частиц увеличивается расход ПФ.

Концентрация твердой фазы от 20-50 до 250-350 кг/м³. При использовании аппаратов, в которых осветление основано на действии силы тяжести (отстойники, сгустители), концентрация твердого в питании должна быть не более 100 кг/м³. Иначе действие ПФ неэффективно. В аппаратах с использованием центробежной силы (центрифуги) содержание твердого может достигать 400 кг/м³.

Свойства поверхности твердой фазы - один из определяющих факторов.

1) Электрокинетический потенциал или дзета-потенциал (ж-потенциал) возникает в двойном электрическом слое, который образуется вокруг минеральных частиц при их взаимодействии с водой.

Потенциал-определяющие ионы 2 прочно связаны с твердой поверхностью и определяют ее заряд. Адсорбционный слой ионов 3 плотно примыкает к слою потенциал-определяющих ионов благодаря силам адсорбции и электростатическим; число ионов здесь может быть больше или меньше, чем в слое 2. Диффузная часть ДЭС (за линией АВ) является подвижной.

Слои 2+3 - (от твердой поверхности до линии АВ) - внутренняя часть двойного электрического слоя - малоподвижная, плотная, не является электронейтральной. Находится на расстоянии L₁ от твердой фазы.

Движение жидкости при перемещении частицы происходит не по твердой поверхности, а за пределами неподвижного адсорбционного слоя 3 (по условной линии АВ).

Между твердой и жидкой фазами возникает общая разность потенциалов: ц = ц_о +ц'.

Графически скачок потенциала (разность потенциалов) во внутренней части двойного электрического слоя (между твердой поверхностью и адсорбционным слоем ионов) определится как

флокуляция мостиковый молекулярный дисперсность

ц_о = СД - FЕ.

Скачок потенциала в диффузионной части ДЭС:

ц' = FЕ и ноль. ц' ? о.

Дзета-потенциал - разность потенциалов между подвижной и неподвижной частью двойного электрического слоя, возникает при перемещении частицы в воде, поэтому и носит название электрокинетического. Условно эти части ДЭС разделяет линия АВ.

В разбавленных растворах ж-потенциал близок к значению ц^', т. к. граница скольжения жидкости совпадает в этом случае с линией АВ. В концентрированных растворах и в случаях, когда потенциал резко изменяется с расстоянием, то граница скольжения жидкости не совпадает с линией АВ и ц^' ? ж.

Дзета-потенциал минерализованных шламов чаще отрицателен и составляет -20-30 милливольт. В связи с окисленностью угольная поверхность имеет отрицательный заряд.

2) Вещественный состав - отходы флотации и илы содержат 80-90% глинистого материала, каменноугольные шламы - витрен, фюзен, кларен и дюрен.

3) Гидратированность поверхности: гидратная оболочка глинистых частиц по Б. Дерягину достигает 10^-4 мм. Гидратированы и угольные шламы, т. к. в реальных условиях их поверхность всегда окислена. Толщина гидратных слоев соизмерима с длиной макромолекул ПФ при их фибриллярной конфигурации. Гидратированность поверхности отрицательно влияет на закрепление макромолекул ПФ.

Свойства жидкой фазы, имеющие значение для флокуляции, следующие:

1) Солевой состав: неорганические соли повышает эффективность мостиковой флокуляции при их содержании не более 0.5%. Отрицательно влияет содержание ионов жлеза+2.

2) Температура - в тех интервалах, которые есть в производстве влияет мало.

3) Жесткость воды - соли кальция +2 и магния +2 способствуют адсорбции полимеров

Дозировка: (условия контакта флокулянта) - зависит от технологической операции, для интенсификации которой флокулянт используется, свойств шламов, типа полимера и т.п. Точка подачи ПФ выбирается в зависимости от концентрации твердого в суспензии. При концентрации твердого более 50 кг/м³ и высоком содержании классов менее 60 мкм, флокулянт вводят на небольшом удалении от аппарата - 3-5 м. В более разбавленные и крупнодисперсные суспензии - за 8-10 м от осветлителя.

Способ подачи уточняется экспериментально. Наиболее эффективна пульверизация или дробная (несколькими струями) дозировка.

Условия контакта: Способ смешивания рабочего раствора ПФ с суспензией должен обеспечить равномерное распределение молекул флокулянта в объеме суспензии в момент поступления. Флокулянт вводится в зону умеренной турбулизации потока. После этого должно быть обеспечено спокойное (ламинарное) течение флокул от места смешивания к аппарату.

Размещено на Allbest.ru