Очищення кольорових вод коагулянтами

1. Висновки за статтею

Знебарвлення та освітлення води

Методи коагулирования досить добре освоєні і повсюдно застосовуються на багатьох станціях водопідготовки . У той же час, використання коагулянтів народжує додаткові проблеми води, які необхідно усувати іншими методами очищення:

• підвищення каламутності;
• низька ефективність видалення розчиненої органіки;
• висока залишкова концентрація алюмінію.

Для усунення багатьох недоліків методу коагуляції добре зарекомендував себе реагент оксихлорід алюмінію (Оха), який в очищенні води використовується замість більш традиційного сульфату алюмінію (СА) - Al₂ (SO₄) ₃. Формула оксихлорида алюмінію в загальному вигляді виглядає як:

Застосування оксихлорида алюмінію в якості коагулянту дозволило не тільки зменшити кількість реагенту, а й істотно поліпшити якість очищеної води. Максимальна ефективність Оха спостерігається при знебарвленні митних вод, з показниками за шкалою кольоровості 30-50 градусів; а також в холодний період року, коли швидкість протікання коагуляції сповільнюється.

Застосування сульфату алюмінію вигідніше для очищення води з незначною мутностью і низьким вмістом солей. Використовувати оксихлорід алюмінію для підготовки води такого типу недоцільно.

Причина різної ефективності при очищенні води з різними показниками каламутності і кольоровості полягає в тому, що витяг забруднюючих речовин у них відбувається різними шляхами.

Ефективність і швидкість процесу знебарвлення води коагулированием залежить від наступних властивостей:

• температури,
• pH і іонного складу,
• вмісту завислих речовин,
• концентрації колоїдних частинок і істинно розчинених органічних речовин.

Незважаючи на те, що реакція середовища, величина pH, грає істотну роль в протіканні фізико-хімічних процесів очищення води, в умовах станцій водопідготовки контроль цього показника практично ніколи не ведеться. Показник pH контролюється тільки в рамках нормативів СанПіН для води. Зміна і контроль реакції середовища для відстеження оптимальних умов протікання процесів коагуляції на діючих станціях не ведуть.

Показником протікання реакції може служити ступінь дисоціації гідроксиду алюмінію, яка мінімальна в середовищі, близькому до нейтральної (pH 6,5-7,5). Колоїдні частинки гідроксиду алюмінію в такому середовищі нейтральні (не несуть в собі заряду).

При проведенні процесів знебарвлення і освітлення сульфатом алюмінію оптимальні показники pH, при яких буде утворюватися і випадати в осад гідроксид алюмінію, складають 6,7-7,0. Для такого середовища притаманні процеси сорбції та агрегування. Агрегація колоїдних частинок органічного походження і мінеральних суспензій в пластівці відбувається за участю гідроксиду, який грає роль сполучної.

Інтенсивність утворення пластівців також залежить від величини pH - адже вміст іонів водню [H⁺] і гідроскід-іонів [OH⁻] в розчині впливає на будову речовин - продуктів гідролізу.

У середовищі з рН полікатіони алюмінію:

Для цих речовин притаманний великий позитивний заряд, за рахунок чого вони будуть адсорбуватися на поверхні колоїдних частинок з негативним зарядом. Це властивість набуває значення для зниження кольоровості води. Якщо процеси коагулирования підуть в цьому напрямку, то при pH> 7 якість знебарвлення води погіршиться. Оптимальні значення pH середовища при збереженні якості очистки становить 5-6.

Механізми коагуляції органічного гумусу мають загальні риси з процесами очищення від мінеральних речовин, але з деякими відмінностями.

Природна вода з pH 5-8 при обробці коагулянтом (сульфатом алюмінію) демонструє такі процеси:

• Механізм нейтралізаційних-адсорбційної коагуляції: при цьому розчинені гідроксокомплекси алюмінію, що мають позитивний заряд, з'єднуються з негативно зарядженими забруднюючими частинками. Гумусові частки коагулюють в міру взаємодії своєї негативно зарядженої функціональної групи (фенольной, кетонової, карбоксильної) з позитивними частками -гідрокомплексамі алюмінію. Відбувається полімерне комплексообразование.
• Механізм загарбної коагуляції. За даним механізму відбувається зниження каламутності за рахунок адсорбції продуктів гідролізу коагулянту на поверхні мінеральних часток. Відбувається нейтралізація зарядів іонів, зменшення сил відштовхування і стиснення подвійного шару.

Механізм загарбної коагуляції протікає при pH середовища понад 7 за рахунок адсорбції гумусових речовин на частинках Al (OH) ₃.

Зниження мутності води йде за рахунок обволакивания мінеральних часток новообразующимися масою гідроксиду алюмінію. Щоб захватна коагуляція стала можливою, необхідно додавання великої кількості коагулянту для утворення значної за обсягом осаду гідроксиду алюмінію.

Перший описаний механізм (нейтралізаційних-адсорбційна коагуляція) можливий і при невеликих дозах коагулянту, однак доза повинна зростати пропорційно зростанню вмісту колоїдних забруднюючих частинок.

Якщо вода сильно каламутна, то має сенс вести коагулирование при підвищених значеннях pH. В цьому випадку реакції освіти гідроксиду будуть переважати над механізмами адсорбції позитивних іонів коагулянту.

Присутність мінеральних часток прискорює осадження гідроксиду алюмінію і інтенсифікує утворення зародків коагуляції. Гумінові речовини досить стійкі і передають цю стійкість при взаємодії з гідроксидами. При цьому процес коагуляції може призупинитися і не дійти до кінця.

Стійкість гумінових колоїдів зростає разом з величиною pH оброблюваної води. Зі зниженням pH і зростанням кислотності середовища стійкість гумінових речовин знижується. Адсорбція катіонів коагулянту теж вносить свою лепту, і процес коагуляції поліпшується.

Звідси випливає, що очищення кольорових вод доцільно вести при знижених значеннях pH. Адсорбція катіонів алюмінію надає гумінових колоїдам властивість активного хлопьеобразования навіть без присутності у воді гідроксиду алюмінію. Цим гумати докорінно відрізняються від зважених речовин, і цей факт варто враховувати при виборі коагулянту для очищення води від кольоровості.

Очищення води з високою кольоровістю і малої мутностью балансує між цими двома механізмами. Який з процесів коагулирования в розчині буде переважати, визначається якісним складом вихідної води.

Зі збільшенням кольоровості води оптимальне значення pH знижується з ростом концентрації водневих іонів. Дотримати умови для коагулирования особливо важливо, якщо воду необхідно очистити від фульвокислот, видалити які з води зазвичай важче, ніж гумінові кислоти.

Для очищення кольорових вод з невисоким солевмістом оптимальний діапазон реакції середовища досить вузький. Для цього необхідно досягти pH, при якому з розчину видаляються гумінові речовини при найменшій додається дозі коагулянту.

На інтенсивність процесів коагуляції при очищенні кольорових вод також впливає присутність деяких іонів, що входять до складу коагулянту. Найбільшою мірою коагулююча знебарвлюється дія притаманна анионам сульфатів.

Ці іони впливають на перебіг багатьох хімічних процесів:

• впливають на освіту малорозчинних комплексних сполук;
• збільшують зони оптимальних значень pH (в бік збільшення кислотності середовища);
• зменшують дозу коагулянту.

Поліпшення процесів знебарвлення води теоретично можна пояснити тим, що сульфат-аніони служать противоионами для позитивно заряджених частинок-продуктів реакції гідролізу в кислому середовищі (при pH

Якщо в якості коагулянту використовується сульфат алюмінію, то стимулюючий процес коагуляції вплив аніонів є наступний ряд:

При підвищенні значення pH (зменшенні кислотності середовища) іони Cl⁻ теж проявляють тенденцію до утворення нерозчинних сполук гідроксиду алюмінію. Але якщо у води низькі значення pH (мала лужність), то збільшення вмісту хлоридів призводить до стабілізації процесу коагуляції і припинення освіти пластівців гідроксиду алюмінію. Якщо у воді присутні бікарбонат-іони HCO³⁻, то гідроліз коагулянту (сульфату алюмінію) проходить більш інтенсивно і в більш широкому діапазоні значень pH, ніж в присутності лужних гідроксид-іонів OH⁻.

Якщо за своїм солевмістом очищається вода відноситься до м'якої, а вміст бікарбонатів в ній невелика, то в цьому випадку реакція освіти гідроксиду протікає не повністю, процеси коагуляції-знебарвлення погіршуються, зменшується пластівців, зростає концентрація залишкового алюмінію. З цих причин для поліпшення знебарвлення воду подщелачивают.

Перехід колоїдної гідроксиду в гідроксид може утруднятися тому, що в воді є речовини, яких називають захисні колоїди. Ще одна причина - підвищена лужність води, оскільки гідроксид алюмінію в лужному середовищі перетворюється в розчинені речовини.

У каламутній воді з високим вмістом гумінових кислот останні взаємодіють з гідроксокомплексів алюмінію. За рахунок цього розрахункове підвищення кислотності від додавання коагулянту перевищує реальні показники. Залишкова лужність води має значення 0,1-0,2 мг-екв / л.

Через стабілізації колоїдних частинок коагуляція може йти неоднаково. Це важливо враховувати при виборі реагенту-коагулянту - сульфату алюмінію або оксихлорида алюмінію. Якщо для освітлення про знебарвлення води використовується сульфат алюмінію, то оптимум по pH і мінімальна зайва лужність досягаються при меншій кількості коагулянту, ніж при використанні оксихлорида.

Якщо воду, що очищається попередньо подщелачивают (додаванням соди), залишкова лужність збільшується від 0,1 до 0,45 мг-екв / л (при сульфате алюмінію) і від 0,5 до 0,8 (при Оксихлорид алюмінію). При цьому змінюються значення кольоровості води і змісту залишкового алюмінію: при сульфате алюмінію значення зменшуються, при Оксихлорид - ростуть.

Щоб реалізувати нейтралізаційних-адсорбційний механізм коагуляції для максимального видалення гумінових речовин, необхідно строго витримувати оптимальну область pH - як для сульфату, так і для оксихлорида алюмінію в якості коагулянтів.

З ростом змісту бікарбонатів вище граничного значення зростає доза коагулянту.

Якщо pH> 7,5 зростає швидкість утворення гідроксиду алюмінію, що теоретично можна пояснити виходячи з механізму загарбної коагуляції. При цьому дози для обох коагулянтів ростуть, але ефективність очищення Оха вище, ніж при СА.

Як показують теоретичні дослідження коагуляції і практичний досвід знебарвлення води, при низьких значеннях pH, лужності і солевмісту (м'якості води), для очищення більш придатний сульфат алюмінію. Його використовують для очищення води з високою кольоровістю і малої мутностью. У противних випадках виправдане застосування в якості коагулянту оксихлорида алюмінію.

На практиці виявилося, що вода з деяких природних джерел протягом року може істотно відрізнятися за якістю. Тому в залежності від показників вихідної води для її знебарвлення і освітлення можуть застосовуватися обидва коагулянту - СА і Оха. Іноді найкращі результати дає спільна обробка води обома коагулянтами - СА і Оха.

Зміст залишкового алюмінію неможливо знизити тільки за рахунок застосування оксихлорида алюмінію, адже вода відрізняється за своїм складом і якістю. При використанні Оха для знебарвлення каламутної води вміст залишкового алюмінію менше, ніж при обробці СА. Але при обробці кольоровий води на результат сильно впливає pH обробленої води. Так як оптимальні діапазони pH і лужності для обох коагулянтів мало відрізняються, то при незначних коливаннях умов може відчутно змінюватися ефективність одного або іншого коагулянту.

Вибір коагулянту для певного джерела води повинен вестися з урахуванням параметрів води в усі сезони року:

• кольоровість,
• перманганатная окислюваність,
• залишковий алюміній.

Потім визначаються мінімальні дози, проводиться аналіз техніко-економічних показників і супутніх витрат.

Для оксихлорида алюмінію визначальне значення має показник основності, який вираховується за формулою:

Практичні дослідження показали, що якість знебарвленою води, так само як додається доза реагенту-коагулянту, прямо залежать від марки і основності оксихлорида алюмінію.

Високоосновних Оха застосовують для очищення каламутної води з середньою кольоровістю і невисокою концентрацією органіки. Зі зниженням температури води повинна підвищуватися і основність коагулянту.

Зниження основності оксихлорида алюмінію має відбуватися слідом за збільшенням кольоровості води і зростанням перманганатная окислюваність.

Низькоосновні Оха або сульфат алюмінію в якості коагулянту застосовуються для очищення води, що вимагає дотримання особливих умов pH середовища - це відноситься до води з підвищеною кольоровістю і низьким солевмістом.

Освітлення методом відстоювання для зниження каламутності ефективніше вести з високоосновних коагулянтом Оха, а при використанні сульфату алюмінію знижується мутність фільтрату. З тієї ж закономірності змінюється показник залишкового алюмінію. Більш ефективне видалення органіки - за показником перманганатной окісляемості- відбувається при використанні сульфату алюмінію.

Застосування змішаних коагулянтів комплексну природу для знебарвлення кольорових вод дає розширені можливості. До змішаних коагулянтів відносяться:

• [Al2 (OH) a (SO4) c] n - поліоксісульфат алюмінію;
• [Al2 (OH) a Clb (SO4) c] n - поліоксіхлорсульфат алюмінію;
• [Al2 (OH) a Clb] n - Поліоксихлорид алюмінію;
• алюмокремнієвим коагулянти-флокулянти.

Висновки за статтею

1. Підбір коагулянту ведеться дослідним шляхом, залежно від показників якості води в кожен з чотирьох періодів року.
2. Знебарвлення та освітлення кольоровий маломутной води з низькою лужністю і низьким солевмістом ведеться при pH не вище 7,5. Для такої води сульфат алюмінію в якості коагулянту потребує менше часу. При низькій температурі можливо спільне використання оксихлорида алюмінію і сульфату алюмінію. Сульфат алюмінію краще видаляє органічні забруднення, що підтверджується зміною значень кольоровості і перманганатная окислюваність. Використання Оха при знебарвленні зменшує концентрацію залишкового алюмінію.
3. На швидкість утворення пластівців впливає зміна концентрації сульфат-іонів у воді.
4. При правильно підібраному діапазоні pH якість очищення води підвищується навіть у разі використання Оха.
5. Використання високоосновного Оха має бути виправдане. При високій концентрації в воді органіки ефективніше використовувати сульфат алюмінію або спільно СА і Оха. Для зниження кольоровості води перспективно застосування змішаних коагулянтів - поліоксісульфата або поліоксіхлорсульфата алюмінію.
6. Зміна концентрації робочих розчинів коагулянтів дає можливість побічно регулювати процес знебарвлення води. Освіта гідрокомплексів алюмінію впливає на інтенсивність очищення від колоїдних забруднювачів і, в кінцевому рахунку, підвищує якість водопідготовки. При зниженні температури води повинна знижуватися і концентрація робочого розчину коагулянту.