Проскуряков В.А., Шмидт Л.И.
На скорость и эффективность процесса флокуляции существенное влияние оказывают многие факторы: концентрация частиц и свойства их поверхности, растворенные в воде примеси, перемешивание, последовательность введения коагулянтов и флокулянтов и др.
Частицы твердой фазы.
Расход флокулянта зависит от суммарной удельной поверхности частиц дисперсной фазы. При неизменном размере частиц сохраняется пропорциональная зависимость между оптимальной дохой флокулянта и концентрацией твердых частиц. Опыты с глинистыми и латексными частицами разной степени дисперсности показали, что оптимальная доза флокулянта обратно пропорциональна квадрату радиуса частиц. Значительное возрастание сте6ппени дисперсности обуславливает увеличение стерических затруднений, снижающих эффективность флокуляции.
Растворенные в воде примеси.
Имеющиеся данные показывают, что в присутствии гидроксидов кальция и магния процесс флокуляции полиакриламидом активизируется. Хлорид калия и кальция, а также карбонат калия практически не влияют на процесс флокуляции. Большое содержание (более 1-4 г/л) таких солей, как Na2CO3, K2SO4, Na2HPO4, Fe(NH4)(SO4)2*12H2O, Na2SO3, NaOH, Ca(NO3)2, резко ухудшает процесс флокуляции полиакриламидом.
По-видимому, органические вещества, адсорбируясь на частицах дисперсной фазы влияют на сорбцию макромолекул флокулянта. Например, установлено, что этиловый спирт и керосин оказывают отрицательное влияние на процессы хлопьеобразования.
В настоящее время не имеется данных, позволяющих прогнозировать влияние различных органических примесей сточных вод на процессы флокуляции.
Перемешивание.
Эффективность процесса флокуляции, размер и плотность образующихся хлопьев в большой степени зависят от интенсивности и продолжительности перемешивания. Интенсивное перемешивание сокращает время достижения адсорбционного равновесия, н при этом уменьшается количество адсорбированного флокулянта, а также разрушается часть образующихся при флокуляции агрегатов. Размер устойчивых хлопьев, определенный Ла Мером из условия, что скорости их образования и разрушения равны, определяется уравнением
R=Kn2Q2(1-Q)2
где К – коэффициент; n - число частиц в единице объема жидкости; Q - часть поверхности частиц, занятой адсорбированными молекулами флокулянта; (1-Q) - свободная поверхность.
Из уравнения следует, что размер устойчивых хлопьев зависит от доли поверхности частиц Q, занятой макромолекулами флокулянта. С увеличением Q размер устойчивых хлопьев возрастает и при некоторых оптимальных дозах флокулянта достигает максимального значения.
Изменение структуры хлопьев при перемешивании происходит вследствие: а) более равномерного распределения макромолекул флокулянта, прикрепления большого числа подвижных сегментов к большему числу частиц; б) адсорбции свободных сегментов на тех же частицах и сокращения длины полимерных мостиков; в) разрушения агрегатов с укороченными мостиками с последующей адсорбцией макромолекул на освободившейся поверхности частиц.
Очевидно, что в начальный момент перемешивания большее значение имеет первый процесс, в результате которого образуются относительно крупные хлопья. При последующем перемешивании доминируют второй и третий процессы. Это подтвердили экспериментальные исследования, показавшие, что с увеличением среднего градиента скорости G происходит сначала увеличение, затем уменьшение размера хлопьев.
Показано также, что прибавление небольшого количества флокулянтов резко увеличивает прочность хлопьев, которая оценивалась по величине градиента скорости, необходимого для полного разрушения хлопьев.
Количество и молекулярная масса флокулянта.
При оптимальном количестве добавленного флокулянта образуется не связанные между собой агрегаты, способные к быстрому осаждению. При очень малых и больших количествах полимера может наблюдаться не флокуляция, а, наоборот, стабилизация дисперсной системы. При избыточном количестве флокулянта в воде может также образоваться густая сетка ассоциированных молекул полимера, препятствующая сближению и агрегации частиц суспензии.
На процесс флокуляции оказывает влияние размер макромолекул флокулянта (молекулярная масса). С увеличением размера макромолекул возрастает количество сегментов, способных к адсорбции на частицах. Это приводит к образованию более крупных агрегатов. Однако значительный рост молекулярной массы флокулянтов увеличивает стерические затруднения.
Наиболее эффективная флокуляция должна наблюдаться при определенном соотношении между размерами частиц и макромолекул полимера. Для обычно применяемых диапазонов молекулярных масс полимеров (до нескольких миллионов) увеличение размеров макромолекул приводит к снижению оптимальной дозы полимера. При значительном различии в размерах частиц и макромолекул флокуляция затрудняется.
Влияние других факторов.
Обычно флокулянты (например, полиакриламид) действуют в широком интервале рН воды. В средах с различным значением рН образуются неодинаковые по размерам и плотности флоккулы. Так, при флокуляции угольных шламов анионным полиэлектролитом – полиакриламидом, наиболее плотные флокулы образуются при рН=5-7. Скорость осаждения флокул при этом значении рН оказалась наибольшей, а объем осадка – наименьшим.
Оптимальный диапазон рН для разных флокулянтов различен. Например, гидролизованный полиакриламид следует использовать в кислой или щелочной средах, натриевые соли полиакриловой и полиметакриловой кислот – в области рН=3-7 и т.д.
Температура, очевидно, должна оказывать влияние на процесс флокуляции, хотя в тех диапазонах температур, в которых осуществляется коагуляционная и флокуляционная очистка природных и сточных вод, заметного влияния ее на процесс флокуляции не обнаружено. Тем не менее при низких температурах воды (0-100С) рекомендуется применять флокулянты, резко ускоряющие образование хлопьев, при этом, например, дозу активной кремниевой кислоты при температуре менее 3-70С следует повысить в 1,5 раза.
На эффективность очистки воды может оказывать влияние последовательность введения коагулянта и флокулянта. Обычно предварительная коагуляция дисперсной системы с последующей флокуляцией обеспечивает более высокую степень очистки. Предварительное введение в сточную воду флокулянта может привести к снижению скорости кристаллизации коагулянта, а также уменьшению размеров образующихся кристаллов. В результате снизится эффективность очистки, а также увеличится объем и влажность образующихся осадков. Вводить флокулянт в сточную воду целесообразно после завершения коагуляции коллоидных примесей (обычно через 0,5-5 мин после введения коагулянта).
Следует отметить, что в некоторых случаях последовательность введения коагулянта и флокулянта не оказывает существенного влияния на очистку сточных вод.