М О Олійник, Ф Г Татаринов - Аналіз впливу різноманітних факторів на процес флокуляції частинок - страница 1

Страницы:
1 

_Екологія

УДК 622.7

М.О. ОЛІЙНИК, Ф.Г. ТАТАРИНОВ

(Україна, Кривий Ріг, Криворізький національний університет)

АНАЛІЗ ВПЛИВУ РІЗНОМАНІТНИХ ФАКТОРІВ НА ПРОЦЕС ФЛОКУЛЯЦІЇ ЧАСТИНОК

Проблема та її зв'язок з науковими і практичними задачами Сьогодні однією з найважливіших проблем в області екології стала про­блема зниження рівня антропогенного впливу на водний басейн планети - в ма­сштабах річок, озер, морів і океанів. У зв'язку з цим безсумнівну актуальність набувають дослідження з поглибленого і всебічного вивчення закономірностей і відшукання доступних шляхів удосконалення та інтенсифікації різних проми­слових процесів, пов'язаних з поділом твердих і рідких фаз і, перш за все, в процесах збагачення корисних копалин. В останні роки для регулювання стій­кості колоїдних систем все ширше застосовуються різні високомолекулярні ре­човини. Обумовлено це тим, що досить малі-складові тисячні, а іноді лише мі­льйонні частки маси дисперсної фази-добавки високомолекулярних сполук мо­жуть радикально змінити стабільність суспензій. Ці сучасні технології з успі­хом використовуються в різних технологіях збагачення корисний копалин. В даний час флокуляція є одним з найбільш ефективних і економічних способів концентрування збагачення, зневоднення і поліпшення фільтруємості промис­лових суспензій, очищення оборотних і стічних вод від дисперсних частинок.

Постановка завдання. На швидкість і ефективність процесу флокуляції іс­тотно впливають багато факторів. Розглянемо вплив основних факторів на про­цес флокуляції.

Викладення матеріалу та результати. Так, витрати флокулянта залежать від сумарної питомої поверхні частинок дисперсної фази. При незмінному роз­мірі частинок зберігається пропорційна залежність між оптимальною дозою флокулянта і концентрацією твердих частинок. Досліди з глинистими і латекс­ними частками різного ступеня дисперсності показали, що оптимальна доза флокулянта обернено пропорційна квадрату радіусу частинок. Значне зростан­ня степені дисперсності обумовлює збільшення стеричних ускладнень, що зни­жують ефективність флокуляції [1]..

Наявні дані показують, що в присутності гідроксидів кальцію і магнію процес флокуляції поліакриламідом активізується. Хлорид калію і кальцію, а також карбонат калію практично не впливають на процес флокуляції. Великий вміст (більше 1-4 г/л) таких солей, як Na2CO3j K2SO4j Na2HPO4j Fe(NH4) (SO4)2x12H2O, Na2SO3j NaOH, Ca(NO3)2 різко погіршує процес флоку­ляції поліакриламідом.

Мабуть, органічні речовини, адсорбуючись на частинках дисперсної фази впливають на сорбцію макромолекул флокулянта. Наприклад, встановлено, щоетиловий спирт і гас мають негативний вплив на процеси утворення пластівців.

В даний час не має чітких даних, що дозволяють прогнозувати вплив різ­них органічних домішок стічних вод на процеси флокуляції.

Концентрація твердої фази (Сд) в промислових дисперсіях може змінюва­тися в широких межах - від 0,002 до 50%. Наприклад, на суспензіях охри і као­ліну показано, що зі збільшенням Сд в присутності ГПАА з різним ступенем гі­дролізу спостерігалося зниження швидкості седиментації частинок [2]. Ослаб­лення флокулюючої здібності ГПАА з ростом Сд викликано зменшенням розмі­рів і числа агрегатів з макромолекул і пов'язаних ними часток дисперсної фази внаслідок зменшення відношення Сп/Сд (при фіксованій концентрації поліме­ру - Сп).

Більшість дисперсій є багатокомпонентними системами, які містять різні включення, в тому числі низькомолекулярні електроліти і поверхнево-активні речовини (ПАР). Ці включення здатні впливати на стійкість дисперсій, а також на конфірмаційні та адсорбційні властивості макромолекул флокулянтів, що в сукупності позначається на флокулюючій активності ПФ. Проілюструємо вплив сольових добавок і ПАР на флокулюючю дію ПФ.

Так, на суспензіях охри і каоліну встановлено зниження швидкості седи­ментації частинок в присутності ГПАА зі збільшенням концентрації NaCl через зменшення гідродинамічних розмірів макромолекул ГПАА в результаті збіль­шення ступеня екранування карбоксилат-аніонів протиіонами Na+ [2]. Проте, виявлений ефект негативного впливу низькомолекулярних електролітів на фло­куляції під дією ГПАА не є загальним правилом для всіх полімервмісних дис­персних систем. Так, флокулююча активність ГПАА при концентруванні дріж­джів Candida scotti і клітин E.coli збільшується при додаванні іонів Al3 +. Це на­слідок зменшення агрегативної стійкості дисперсії в результаті нейтралізації заряду поверхні клітин. Іншим прикладом є введення низькомолекулярних не­органічних солей в дисперсію до ПФ при очищенні природних і стічних вод з метою зниження стійкості дисперсій, поліпшення адсорбції флокулянта та еко­номії реагентів.

Ефективність процесу флокуляції, розмір і щільність утворених пластівців у великій мірі залежать від інтенсивності та тривалості перемішування. Інтен­сивне перемішування скорочує час досягнення адсорбційного рівноваги, але при цьому зменшується кількість адсорбованого флокулянта, а також руйнуєть­ся частина утворених при флокуляції агрегатів. Розмір стійких пластівців, ви­значений Ла Мером з умови, що швидкості їх утворення і руйнування рівні, ви­значається рівнянням [3]:

R = Kn2Q2(1-Q)2,

де К - коефіцієнт; n - число частинок в одиниці об'єму рідини; Q - частина по­верхні частинок, зайнятої адсорбованими молекулами флокулянта; (1-Q) - ві­льна поверхню.

З рівняння випливає, що розмір стійких пластівців залежить від частки по­верхні частинок Q, зайнятої макромолекулами флокулянта. Зі збільшенням Q розмір стійких пластівців зростає і при деяких оптимальних дозах флокулянта досягає максимального значення.

Зміна структури пластівців при перемішуванні відбувається внаслідок:

а) більш рівномірного розподілу макромолекул флокулянта, прикріплення великого числа рухомих сегментів до більшого числа частинок;

б) адсорбції вільних сегментів на тих же частках і скорочення довжини по­лімерних містків;

в) руйнування агрегатів з укороченими містками з подальшою адсорбцією макромолекул на звільнених поверхнях частинок.

Очевидно, що в первинний момент перемішування більше значення має перший процес, в результаті якого утворюються відносно великі пластівці. При подальшому перемішуванні домінують другий і третій процеси. Це підтвердили експериментальні дослідження, які показали, що зі збільшенням середнього градієнта швидкості G відбувається спочатку збільшення, потім зменшення ро­зміру пластівців [3].

Слід відзначити також, що при додаванні невеликої кількості флокулянтів різко збільшується міцність пластівців, котра оцінюється за величиною градієн­та швидкості, необхідної для повного руйнування пластівців.

При оптимальній кількості доданого флокулянта утворюється не пов'язані між собою агрегати, здатні до швидкого осадження. При дуже малих і великих кількостях полімеру може спостерігатися не флокуляція, а, навпаки, стабіліза­ція дисперсної системи. При надмірній кількості флокулянта в воді може також утворитися густа сітка асоційованих молекул полімеру, що перешкоджає збли­женню і агрегації частинок суспензії [1].

На процес флокуляції впливає розмір макромолекул флокулянта (молеку­лярна маса). Зі збільшенням розміру макромолекул зростає кількість сегментів, здатних до адсорбції на частинках. Це призводить до утворення більш великих агрегатів. Однак значне зростання молекулярної маси флокулянтів збільшує стеричні ускладнення.

Найбільш ефективна флокуляція повинна спостерігатися при певному співвідношенні між розмірами частинок і макромолекул полімеру. Для зазвичай застосовуваних діапазонів молекулярних мас полімерів (до декількох мільйо­нів) збільшення розмірів макромолекул призводить до зниження оптимальної дози полімеру. При значному розходженні в розмірах часток і макромолекул флокуляція ускладнюється [2].

В залежності від величини добавки один і той же полімер може бути як флокулянтом, так і стабілізатором даної дисперсної системи. У більшості випа­дків в присутності зростаючих добавок полімерів стійкість дисперсій спочатку знижується, а після досягнення мінімуму зростає. Спостерігається зниження стійкості системи (низхідні гілки кривих) з ростом концентрації ПАА є наслід­ком посилення агрегації частинок в результаті їх зв'язування макромолекулами і відповідає області флокуляції. При надлишку ПАА відбуваються структуру-вання і стабілізація агрегативної та седиментаційної стійкості дисперсної сис­теми (висхідні гілки кривих). Зазвичай дестабілізація системи спостерігається при малих добавках полімеру (від тисячних до мільйонних часток від маси тве­рдої фази), що свідчить про високу ефективність флокулянтів.

Однією з найбільш важливих характеристик флокулянтів, що істотно впливає на седиментаційну стійкість дисперсних систем, є молекулярна маса (ММ) флокулянта. Значення ММ у ПФ може варіювати в межах від десятків тисяч до декількох мільйонів. Як правило, зі збільшенням ММ флокулююча здатність ПФ зростає, що дозволяє знизити дозу полімеру. Це обумовлено мож­ливістю великих макромолекул зв'язувати більше число часток у великі пласті­вці за допомогою полімерних містків між частинками. Розрахунки показують, що тільки дворазове збільшення розмірів макромолекул повинно викликати збільшення швидкості флокуляції на один-два порядки. Отже, флокулююча здатність полімеру визначається не стільки ступенем полімеризації, скільки ро­змірами, займаними макромолекулами в розчиненому й адсорбованому стані. Розраховано, що для ефективної флокуляції суспензій довжина ланцюжків по­винна становити 10-7 м, що відповідає характеристичної в'язкості розчину по­лімеру h>500 см /г. На суспензіях каоліну показано, що у щеплених сополіме-рів, основний ланцюг, яких побудовано з ланок акрилової кислоти, а бічні лан­цюги складаються з ланок АА (з рівним ступенем полімеризації і однаковими функціональними групами, а також з ідентичними адсорбційними властивостя­ми), флокулююча дія знижується зі зменшенням гідродинамічних обсягів мак­ромолекул. Встановлено, що зразки частково гідролізованого ПАА (ГПАА) з розгалуженими макромолекулами значно поступаються за флокулюючою акти­вністю зразкам з лінійними макромолекулами, оскільки мають менші гідроди­намічні розміри [2].

На флокулюючу здатність ПФ впливає не тільки ММ, але і молекулярно-масовий розподіл полімеру. У сумішах високо-і низькомолекулярних фракцій ГПАА флокулююча здатність визначається високомолекулярної фракцією, осо­бливо при малих добавках полімеру. Встановлено, що ефективна флокуляція спостерігається при певному співвідношенні в розмірах часток дисперсії і мак­ромолекул, а при дуже великій їх відмінності флокуляція стає неможливою.

Флокулююча активність ПФ може зменшуватися в процесі приготування, зберігання та застосування їх у вигляді водних розчинів. Це обумовлено не тільки зменшенням ММ внаслідок деструкції макромолекул, яка відбувається в результаті хімічних, фізичних і мікробіологічних впливів, але і збільшенням компактності макромолекулярних клубків в результаті внутрішньо молекуляр­ного перерозподілу водневих зв'язків.

Крім неіоногенного флокулянту - ПАА успішне застосування знаходять аніонні і катіонні ПФ, які отримують сополімеризацією АА з іоногеними моно­мерами (кислотами, основами та їх солями) або полімераналогічними перетво­реннями ПАА та інших полімерів.

Аніонні ПФ поділяються на слабо-і сильнокислотні, а катіонні - на слабо-і сильноосновні. Прикладом слабокислотних флокулянтів є сополімери АА з ак­рилатом натрію, а сильнокислотного - сополімери АА з 2-акриламіду-2­метилпропансульфонатом натрію. Прикладом слабкоосновного флокулянту є сополімери АА з N, N-диетиламіноетилметакрилатом, а його четвертинні солі -прикладом сильноосновного флокулянту. Ступінь іонізації йоногенних груп у сополімерів слабких кислот і основ дуже залежить від рН середовища. Так, при збільшенні рН зростає ступінь нейтралізації лугом сополімеру АА з акриловою кислотою і збільшується ступінь дисоціації карбоксильних груп. Накопичення однойменних зарядів у ланцюзі посилює між ними електростатичні відштовху­вання, і в результаті збільшення розмірів макромолекулярних клубків підвищу­ється флокулююча активність ПФ. При цьому найкращі флокулюючі властиво­сті досягаються при рН > 7 і 30-40% ступеня нейтралізації карбоксильних груп. У сополімерів сильних кислот і основ іоногенні групи іонізованого в широкій області рН, тому їх флокулюючі властивості мало залежать від рН. Отже, в іоні­зуючих середовищах аніонні і катіонні ПФ в порівнянні з ПАА (при рівній мірі полімеризації) мають великі гідродинамічні розміри макромолекул і тому більш ефективні як флокулянти. Сильнокислотні ПФ (сополімери АА з натрієвої сіл­лю з 2-акриламіду-2-метілпропансульфокіслоти) мають більш високу флоку-люючу активність в порівнянні з слабокислотними ПФ - сополімерами АА з натрієвою сіллю акрилової кислоти [2].

Зазвичай флокулянти (наприклад, поліакриламід) діють в широкому інтер­валі рН води. В середовищах з різним значенням рН утворюються неоднакові за розмірами і щільністю флокули. Так, при флокуляції вугільних шламів аніон­ним поліелектролітів - поліакриламідом, найбільш щільні флокули утворюють­ся при рН = 5-7. Швидкість осадження флокул при цьому значенні рН виявила­ся найбільшою, а обсяг осадка - найменшим.

Оптимальний діапазон рН для різних флокулянтів різний. Наприклад, гід-ролізований поліакриламід слід використовувати в кислому або лужному сере­довищах, натрієві солі поліакрилової і поліметакрилових кислот - в області рН = 3-7 і т.д.

Температура, очевидно, повинна впливати на процес флокуляції, хоча в тих діапазонах температур, в яких здійснюється коагуляційне і флокуляціоне очищення природних і стічних вод, помітного впливу її на процес флокуляції не виявлено. Проте при низьких температурах води (0-10 °С) рекомендується за­стосовувати флокулянти, що різко прискорюють утворення пластівців, при цьому, наприклад, дозу активної кремнієвої кислоти при температурі менше 3-7 °С слід підвищити в 1,5 рази [3].

На ефективність очищення води може впливати послідовність введення коагулянту і флокулянту. Зазвичай попередня коагуляція дисперсної системи з подальшою флокуляцією забезпечує більш високу ступінь очистки осадження часток.

Попереднє введення в суспензію флокулянту може привести до зниження швидкості кристалізації коагулянту, а також зменшення розмірів утворених кристалів. В результаті знизиться ефективність осадження, а також збільшиться об'єм і вологість осадів, що утворюються. Вводити флокулянт в суспензію до­цільно після завершення коагуляції колоїдних домішок (зазвичай через 0,5-5 хвпісля введення коагулянту).

Слід зазначити, що в деяких випадках послідовність введення коагулянту і флокулянту не робить істотного впливу на селективність розділення часток.

Висновки та напрямок подальших досліджень

Отже в результаті аналізу факторів, що впливають на процес флокуляції, показано, що на швидкість і ефективність процесу флокуляції впливають харак­теристики дисперсної системи: концентрації дисперсної фази. складу диспер­сійного середовища, властивостей його поверхні, розчинених у воді домішок і умов проведення процесу: перемішування, послідовність введення коагулянтів і флокулянтів та ін., а також характеристик флокулянта: природи і концентрації полімеру, молекулярної маси, хімічного складу і гідродинамічних розмірів мак­ромолекул.

Список літератури

1. Вейцер Ю.И. Минц Д.М Высокомолекулярные флокулянты в процессах очистки во­ды. - М.: Стройиздат, 1975. - 191 с.

2. Кульский Л. А. Теоретические основы и технология кондиционирования воды. - К.: Генеза, 1971. - 138 с.

3. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. - М.: Химия, 1975. - 512 с.

© Олійник М.О., Татаринов Ф.Г. 2012

Надійшла до редколегії 08.05.2012 р Рекомендовано до публікаціїд.т.н. Т.А. Олійник

Збагачення корисних копалин, 2012. - Вип. 50(91)

Страницы:
1 


Похожие статьи

М О Олійник, Ф Г Татаринов - Аналіз впливу різноманітних факторів на процес флокуляції частинок