Физическая модель работы механического фильтра

Устойчивому накоплению взвеси внутри фильтрующего слоя путем перекрывания его внутренних каналов предшествует прежде всего взаимодействие частиц улавливаемой взвеси с поверхностью зерен фильтрующего материала.

При прохождении частицы взвеси внутри фильтрующего слоя материала траектория ее отклоняется в результате действия вандер-ваальсовых сил. Такое отклонение сопровождается потерей скорости движения частицей взвеси, поскольку с приближением к границе порового канала слоя скорость течения жидкости уменьшается и на границе равна нулю. Если между частицей взвеси и поверхностью фильтрующего материала вследствие одинаковых знаков электрических зарядов их поверхностей существует энергетический барьер, то движение частицы к поверхности заканчивается в том месте пространства, которое отвечает нулевой энергии взаимодействия. Чем больше энергетический барьер, тем дальше от поверхности прекращается перемещение к ней частицы и тем больше в этом месте пространства скорость частицы. Под действием последней частица взвеси, огибая по линии тока зерно фильтрующего материала, уходит в застойную зону, где скорость движения жидкости практически равна нулю. Обычно для каждого зерна это кормовые области или области, примыкающие к точкам контакта между зернами. Поэтому чем больше энергетический барьер, тем быстрее частица попадает в застойную зону и, как бы прилипнув к поверхности зерна фильтрующего материала, остается на ней.

При очень медленном движении частицы взвеси к ней из глубины канала может подойти другая частица. В результате подобного взаимодействия многих частиц на стенке порового канала фильтрующего слоя будет образовываться конгломерат частиц взвеси, в котором все частицы, слипшись, образуют единое целое. Разъединению частиц в таком конгломерате препятствуют действующие между ними вандер-ваальсовые силы, а более плотному слипанию – электрические силы.

С самого начала механического фильтрования процесс прилипания (адгезии) частиц взвеси начинается с лобового слоя зерен фильтрующего материала и распространяется вглубь фильтрующего слоя. Поскольку прилипание неизбежно ведет к уменьшению концентрации твердой фазы в движущейся жидкости, можно представить себе некоторую высоту слоя фильтрующего материала, ниже которой концентрация твердой фазы практически равна нулю. Эту высоту принято называть минимальной высотой фильтрующего слоя.

С течением времени накопившиеся на поверхности зерен лобового слоя конгломераты начинают срываться и проникать в глубокие слои фильтрующего материала. На их место откладываются новые частицы, на которых растут новые конгломераты. Если концентрация частиц в фильтруемой воде невелика, то процессы отложения и срыва происходят одновременно, а концентрация твердой фазы возрастает и становится равной концентрации их в исходной воде. Этот момент отвечает концу стадии формирования фронта фильтрования. Обладая большим размером, конгломераты, группируясь, способны участвовать в процессе перекрывания поровых каналов внутри фильтрующего слоя путем образования «сводиков». Если высота фильтрующей загрузки будет равна или меньше минимальной высоты фильтрующего слоя, то в фильтрате в первый момент появится некоторая концентрация улавливаемого вещества. Появление такой концентрации получило название проскока, а величину ее называют проскоковой концентрацией. Минимальная высота фильтрующего слоя определяется скоростью фильтрования, диаметром порового канала или средним диаметром зерен фильтрующего слоя, с уменьшением которого минимальная высота снижается.

В реальных условиях работы механических фильтров, диаметр зерен фильтрующей загрузки которых составляет примерно 0,5 мм и более (крупнозернистые загрузки), высота фильтрующего слоя близка к минимальной высоте фильтрующего слоя, хотя высота фильтрующего слоя составляет иногда примерно 2 мм. Эти фильтры получили название насыпных фильтров.

Таким образом, большинство фильтров работает в условиях проскока или близких к проскоку. При таких условиях работы фильтра массовый срыв конгломератов с поверхности зерен, расположенных в середине или внизу фильтрующей загрузки, приводит к периодическому увеличению концентрации взвеси в фильтрате. Это явление на практике получило название самоочищения механического фильтра.

При уменьшении диаметра поровых каналов (диаметра зерен фильтрующей загрузки) можно создать условия чисто поверхностного фильтрования. В этом случае не требуется высоких слоев фильтрующего материала. Тонкослойные фильтры с мелкозернистым фильтрующим слоем (d_ср ≈ 0,05 мм) называются намывными фильтрами. Поскольку реальные взвеси имеют определенный спектр дисперсности, нижняя граница которого меньше среднего диаметра поровых каналов загрузки намывных фильтров, рассмотренный выше механизм имеет место и при работе намывных фильтров. Разница между намывными и насыпными фильтрами заключается в том, что при работе последних задерживаемая взвесь скапливается выше верхней границы загрузки только к концу работы фильтра, а при работе первых – с самого начала, то есть насыпные фильтры работают в основном в режиме объемного фильтрования, постепенно переходящего в поверхностное, а намывные работают, главным образом, в режиме поверхностного фильтрования, сопровождающегося объемным.

Особенности задержания взвесей мелкозернистым слоем.

Намывные механические фильтры получили свое название от процесса загрузки в них фильтрующего материала, который перед началом фильтрования подается на намывной фильтр в виде концентрированной суспензии. Твердые частицы этой суспензии отделяются от ее жидкой фазы на специальной фильтровальной перегородке. Накапливаясь на последней, частицы суспензии создают слой определенной высоты, зависящей от концентрации и времени прокачки исходной суспензии. Процесс этот принято называть намывным. По окончании намыва в фильтр подают очищаемую воду. Задержание взвешенных в воде частиц происходит уже не на фильтровальной перегородке, а на ранее намытом фильтрующем слое (рисунок).

Рисунок – Формирование вторичного фильтрующего слоя:

1 – фильтровальная перегородка; 2 – частицы намывной суспензии; 3 – частицы, задержанные при очистке воды.

Для намыва фильтрующего слоя используют суспензии фильтровальных порошков (например, фильтрперлит – это белый фильтровальный порошок, приготовленный путем измельчения правильных шарообразных частиц технического перлита, который получается путем термической обработки материала вулканического происхождения, известного под названием перлит и состоящего в основном из оксидов кремния и алюминия). Средний поверхностный диаметр частиц фильтровальных порошков, используемых в намывных фильтрах, составляет (15 – 60)∙10^{-6 м.}

Задерживаемые мелкозернистым фильтрующим слоем частицы образуют на его поверхности собственный фильтрующий слой, называемый вторичным фильтрующим слоем, который сразу же становится основным источником гидравлического сопротивления. Темп роста сопротивления возрастает с ростом скорости фильтрования и концентрации взвешенных частиц в очищаемой воде. Поэтому при больших концентрациях частиц, характерных, например, для осветленной после коагуляции или известкования воды, применение намывных фильтров нецелесообразно из-за слишком быстрого роста перепада давления, сводящего к минимуму период работы фильтра, что является неэкономичным не только потому, что требует для непрерывной очистки потока воды большего количества резервных площадей фильтрования, подключаемых к работе в момент смыва и намыва материала на основные фильтры, но также и из-за увеличенного расхода фильтрующего материала, который на намывных фильтрах вследствие трудности отделения от уловленных частиц взвеси используется однократно. Поэтому намывные фильтры и применяются только для очистки конденсатов и вод, где концентрация твердых продуктов коррозии железа не превышает 100-50 мкг/кг.

Качество фильтрата после намывных фильтров обычно стабильно.

Лекция №4

Физико-химические основы коагуляции коллоидных примесей воды.

Характеристика коллоидных систем.

Если очистка воды от грубодисперсных примесей (ГДП) может быть принципиально осуществлена обычным отстаиванием и механическим фильтрованием, время которого определяется размером и удельной массой частиц, то коллоидные примеси за счет их агрегативной устойчивости могут быть выделены из воды только методом коагуляции. Коагуляция – физико-химический процесс укрупнения коллоидных частиц за счет их слипания под действием молекулярных сил притяжения. В практике водоподготовки под коагуляцией понимают очистку воды от коллоидных веществ с одновременной очисткой от ГДП и обесцвечиванием воды путем дозировки в обрабатываемую воду специального реагента – коагулянта.

Для коллоидных систем характерны 2 основных признака: гетерогенность и дисперсность. 1-й из признаков указывает на наличие межфазной поверхности (поверхностного слоя), определяющие самые существенные и характерные свойства коллоидных систем. 2-й признак – дисперсность (раздробленность) – либо определяется по 3-м измерениям тела, либо характеризуется величиной, обратной минимальному размеру и названной дисперсностью, либо, наконец, используется 3-я характеристика раздробленности – удельная площадь поверхности (отношение межфазной поверхности к объему тела).

Учитывая эти признаки, коллоидные системы можно охарактеризовать и определенным видом энергии, которым они обладают. Гетерогенность предопределяет наличие поверхностного натяжения , причем чем сильнее различаются фазы по своей природе, чем выше поверхностное натяжение.

Произведение равняется поверхностной энергии G, которая проявляется при таких явлениях, как адгезия, прилипание, смачивание, адсорбция и при электрических явлениях с изменением дисперсности.

Коллоидные системы, обладающие большим избытком поверхностной энергии, стремятся уменьшить ее за счет снижения поверхностного натяжения благодаря поверхностной адсорбции других веществ, что формирует структуру поверхностного слоя и наделяет этот слой свойствами отличными от свойств основной фазы. Избирательная адсорбция приводит к приобретению соприкасающими фазами зарядов противоположного знака, но различной величины, т.е. возникает двойной электрический слой, обуславливающий различные электрокинетические явления.

Основы теории двойного электрического слоя.

Возможны три механизма образования двойного электрического слоя (ДЭС): во-первых, за счет перехода ионов или электронов из одной фазы в другую (поверхностная ионизация), во-вторых, благодаря адсорбции примесей водных сред и, в-третьих, за счет определенного ориентирования молекул сопряженных фаз в результате их взаимодействия. Для водных коллоидных систем характерны все возможные виды ДЭС, причем роль каждого из них в значительной мере связана со значением рН среды и химическими свойствами коллоидных соединений. Т.к. все явления на межфазных поверхностях коллоидных систем обусловлены наличием ДЭС и количественные связи между коллоидными частицами зависят от его строения, то представляется важным оценить строение ДЭС.

Двойной электрический слой впервые рассмотрен Гельмгольцем в виде плоского конденсатора с расстоянием между 2-мя рядами разноименно заряженных ионов, близким к размеру диаметра молекул. На этом участке потенциал линейно снижался от значения до 0. Однако такое строение не учитывает теплового движения ионов.

Современная теория строения ДЭС рассматривает слой в виде 2-х частей (рис.). Одна его часть находится у межфазной поверхности и образует адсорбционный слой (слой Гельмгольца) толщиной δ, соответствующая диаметру гидратированных ионов, находящихся в нем. Остальная часть противоионов находится в диффузной части толщиной λ, зависящей от свойств и состава раствора и коллоидной системы. Значение потенциала в слое Гельмгольца при удалении от потенциалообразующих ионов снижается линейно от φ_о до потенциала диффузного слоя φ_б, а затем изменяется по экспоненте. Толщина диффузного слоя λ соответствует, как было условно принято, расстоянию, на котором потенциал диффузного слоя снижается в е раз, т.е. в 2,718 раза.

Концентрация ионов в диффузном слое на расстоянии х от границ радела фаз пропорциональна распределению Больцмана:

(1)

где концентрация иона;

валентности ионов в объеме раствора за пределами диффузного слоя;

характеризцет работу по перемещению 1 моля ионов из объема раствора на расстояние х до границы раздела фаз;

F – число Фарадея;

потенциал на расстоянии х, изменяющийся от до при и при .

Использовав (1), можно оценить объемную плотность заряда ρ для сферического электрического поля в диффузном слое:

в присутствии 1-го электролита

(2)

в присутствии же нескольких электролитов

(3)

Уравнение выражающее закон изменения поверхностного потенциала от расстояния в диффузной части ДЭС и от свойств раствора:

(4)

где абсолютная диэлектрическая проницаемость.

С помощью (4) можно численно оценить толщину диффузного слоя λ на границе раздела фаз.

Кроме свойств раствора на формирование ДЭС у поверхности твердой фазы оказывает влияние ее природа. В настоящее время сформировалось представление о том, что на поверхности оксидов, находящихся в водных растворах, потенциалообразующими ионами ДЭС являются ионы или в зависимости от рН среды и кислото-основных свойств оксидов. Например, гидроксид кремния обладает ярко выраженными кислотными свойствами, и поэтому при рН выше изоэлектрической точки [рН изоэлектрической точки (рН_иэ) – это то значение рН, при котором данное вещество не диссоциирует: ] его поверхность заряжена отрицательно. Гидроксид Fe имеет основные свойства, что определяет положительный заряд на его поверхности, так же как и органических оснований.

В коллоидных системах ДЭС возникает на поверхности частиц. Частицу дисперсной фазы вместе с ДЭС называют мицеллой. Внутреннюю часть мицеллы составляет агрегат основного вещества , на поверхности которого расположены потенциалообразующие ионы . Агрегат с потенциалообразующими ионами образуют ядро мицеллы . Ядро с противоионами плотной части ДЭС составляет границу (значение α показывает долю диссоциированных молекул вещества). Заряженная гранула, окруженная противоионами диффузного слоя, представляется электронейтральной мицеллой

Электрокинетический потенциал.

При тепловом движении молекул коллоидные частицы вовлекаются в молекулярно-кинетическое движение среды. Это явление было обнаружено в 1927г. Р. Броуном. В настоящее время доказано, что молекулы среды сталкиваются с частицами дисперсной фазы, в результате чего она получает огромное число ударов со всех сторон (более 10²⁰ толчков/с). При больших размерах частиц результирующий импульс огромного числа ударов со всех сторон согласно соответствующему закону статически оказывается равным 0, и частица большой массы и инерционности не будет двигаться под действием теплового движения молекул. Очень малые частицы имеют значительно меньшую массу и поверхность, на которую будет приходиться гораздо меньше число ударов, поэтому увеличивается вероятность неравномерности распределения импульсов с разных сторон в результате чего частица приобретает колебательное и поступательное движение. Частицы перемещаются тем быстрее, чем меньше размер частицы, вязкость жидкой фазы и чем выше температура.

При движении коллоидных частиц в жидкости, т.е. при относительном перемещении фаз, происходит разрыв ДЭС по плоскости скольжения. Часть диффузного слоя захватывает частица, а часть ионов остаются в растворе, в результате чего устанавливается разность потенциалов между движущейся коллоидной частицей и окружающей ее средой на поверхности скольжения при отрыве части диффузного слоя. Потенциал на поверхности скольжения называется электрохимическим потенциалом или (дзета) – потенциалом.

Значение – потенциала всегда меньше потенциала ДЭС и это различие тем больше, чем меньше толщина диффузной части слоя. Поэтому такие факторы, как понижение температуры, введение в раствор электролита, не взаимодействующего с поверхностью, а также увеличение заряда его ионов, снижая толщину диффузного слоя, уменьшают электрокинетический потенциал.

Коллоидные системы в природных водах имеют обычно одинаковы отрицательный заряд и характеризуется агрегативной устойчивостью, т.е. стабильностью дисперсности, распределением по объему и взаимодействием между частицами. Потеря агрегативной устойчивости дисперсной системой, заключающейся в слипании частиц, представляет собой, как отмечалось, коагуляцию, которая приводит, в конечном счете, к расслоению фаз.

Схема переходов дисперсных систем в различные состояния представлена на рисунке. Устойчивая дисперсная фаза, равномерно распределенная по всему объему, может образовываться в результате конденсации из истинного раствора. Потеря агрегативной устойчивости при воздействии на систему – 1-й этап коагуляции заключается в сближении коллоидных частиц и взаимной их фиксации на небольших расстояниях, разделенных прослойками среды, с образованием так называемых флоккул, в которых частицы обладают относительной подвижностью при воздействии относительно небольших сил. Обратный процесс разрушения флоккул называется пептизацией. Боде глубокий процесс коагуляции приводит к разрушению прослоек жидкости и непосредственному контакту частиц с образованием жестких структур из твердых частиц (или слиянию жидких, например нефтепродуктов, называемому коалесцекцией). Разрушение образовавшихся структур можно достичь только принудительным диспергированием. Таким образом, в ходе коагуляции осуществляется ряд процессов структурообразования, протекающих с уменьшением удельной поверхности системы. Каждая промежуточная структура имеет свои свойства.

В практике водоподготовки осуществление коагуляционных процессов с использованием электролитов для уменьшения дзета-потенциала приводит к необходимости снижения рН при коагуляции природных вод и повышению их солесодержания, что недопустимо по технико-экономическим соображениям с учетом последующей стадии удаления ионизированных примесей из обрабатываемой воды.

При подготовке добавочной воды используют вариант коагуляции, связанный с взаимной коагуляцией разнородных дисперсных систем – гетерокоагуляцией. Она происходит тем эффективнее, чем полнее произойдет нейтрализация зарядов частиц в смешиваемых дисперсных системах с противоположными знаками заряда коллоидных частиц природных вод (обычно заряженных отрицательно) и искусственно созданной коллоидной системой с положительным зарядом. Предочистка природных вод от коллоидных примесей методом коагуляции производится добавлением минеральных солей с гидроизолирующими катионами (коагулянтов), анодным растворением металлов или изменением рН среды в тех случаях, когда в сточных водах содержаться в достаточном количестве катионы, способные при гидролизе обрабатывать труднорастворимые соединения. В качестве коагулянтов применяются обычно сульфат алюминия или сульфат железа , причем последний реагент используют при совмещении процессов коагуляции и известкования (содоизвесткования). Это связано с тем, что окисление кислородом, растворенным в обрабатываемой воде, происходит медленно и скорость окисления достигает практически приемлемого значения лишь при рН>8.

Гидролиз сернокислого Al при введении его в определенном количестве в обрабатываемую воду, содержащую бикарбонат, можно представить комплексом реакций, выражаемых схемами

Схема включает наряду с диссоциацией и собственно гидролизом 3 сопутствующих реакции: 1) нейтрализацию ионов Н, образующихся при гидролизе (); 2) формирование гидроксидбикарбонатных соединений из-за конкуренции ионов и за координационные участки ; 3) возникновение основных солей Al с другими анионами воды , например оксисульфатов типа .

При щелочности мг-экв/кг не возникает затруднений в отводе из сферы реакции образующихся катионов , поэтому разность между щелочностями исходной и обрабатываемой воды близка к расчетной. В этом случае щелочность уменьшается на значение равное дозе коагулянта. В тех случаях, когда щелочность обрабатываемой воды недостаточна для связывания образующихся при гидролизе коагулянта ионов необходимо воду подщелачивать для достижения полноты гидролиза всего введенного коагулянта.

После ввода коагулянта в обрабатываемой воде через несколько минут появляются хлопья белого или желтого цвета, однако до образования видимых хлопьев частицы проходят коллоидную фазу дисперсности и характеризуются положительным знаком заряда. На этой скрытой стадии коагуляции происходит главным образом сложный комплекс процессов очистки воды от коллоидных примесей: взаимная коагуляция разноименно заряженных коллоидов при взаимодействии дестабилизированными участками поверхности (гетерокоагуляция), электролитная коагуляция под влиянием ионов . В дальнейшем микрохлопья сцепляются, захватывая грубодисперсные примеси и воду и образуя коагуляционную структуру в виде хлопьев (флоккул) размером 0,5-3 мм. Макрофаза затем выделяется из воды в аппаратах для коагуляции – осветлителях или на поверхности фильтрующего материала механических фильтров.

Физико-химические основы процессов осаждения.

Один из способов осаждения солей жесткости – процесс известкования. Он основан на том, что щелочность воды обусловлена в основном ионами , находящимися в химическом равновесии, зависящим от значения рН, с недиссоциированной угольной кислотой и карбонатионами. При вводе гашеной извести , получаемой гидратацией («гашением») СаО, снижение щелочности достигается повышением рН воды более 9,5 с выводом труднорастворимого вещества СаСО₃ (карбонатионов). В общем случае процесс известкования состоит из следующих стадий диссоциации

(1)

приводящей к повышению рН;

гидратации свободной углекислоты и последующей диссоциации по схеме

(2)

диссоциации бикарбонат-ионов, присутствующих в воде и определяющих ее щелочность,

(3)

выделения в твердую фазу ионов (содержащичся в исходной воде) и

(4)

При превышении дозы извести над ее количеством, необходимым для декарбонизации, в воде появляется избыточная концентрация гидроксильных ионов и может быть превышено произведение растворимости , который, в этом случае, выделится в твердую фазу:

(5)

При совмещении процессов известкования и коагуляции в качестве коагулянта используется закисное железо (железный купорос). При введении его в воду наряду с гидролизом происходит дальнейшее окисление железа кислородом с образованием гидроксида железа по реакции:

(6)

Из-за невысокой стоимости устройств коагуляции их целесообразно совмещать при проектировании с установками для.

Во всех случаях процессы, протекающие при известковании и выраженные химическими реакциями (1)-(6), позволяют определить требуемую дозу извести и проанализировать области технологической применимости известкования. Как следует из основ процесса известкования, снижение щелочности происходит в результате образования труднорастворимого , для чего эквивалентное содержание , содержащее в исходной воде и введенного с известью, должно быть не меньше, чем количество образующихся ионов .

Передозировка извести вызовет выделение , что, однако, не будет сопровождаться снижением щелочности и жесткости обработанной воды, а вызовет замену некарбонатной магниевой жесткости на кальциевую по реакции:

(7)

Следует учитывать, что присутствие гидроксида Mg в осадке способствует снижению кремнесодержания на 25-30% за счет адсорбции ионов на свежеосажденном гидроксиде Mg.

Лекция №5

Технология очистки воды.

Предварительная очистка воды.

Очистка воды методом коагуляции.

При организации процесса коагуляции с использованием гидролизующихся коагулянтов необходим учет основных факторов, определяющих оптимальное осуществление технологии. Оптимальная доза коагулянта, то есть его минимальное количество, которое обеспечивает максимальное снижение концентрации коллоидных и грубодисперсных примесей. В обрабатываемой воде определяется главным образом качественным и количественным составом коллоидных и растворенных примесей, их физическими и физико-химическими свойствами.

В настоящее время теоретические разработки не дают возможности точного расчета необходимой дозы коагулянта. Поэтому оптимальные дозы коагулянта устанавливаются опытным путем для каждого источника водоснабжения в характерные периоды года методом параллельного введения в термостатированные сосуды с определенным объемом воды различных количеств коагулянта с последующей оценкой интенсивности хлопьеобразования, скорости оседания хлопьев и определением остаточных концентраций органических веществ, железа и кремнесодержащих соединений, ионов алюминия.

Для большинства поверхностных вод доза коагулянта сернокислого алюминия колеблется в пределах 0,5 – 1,2 мг-экв/кг, железа – 0,1 – 0,5 мг-экв/кг.

Гидроксиды алюминия или железа, образующиеся за счет гидролиза вводимого коагулянта, могут быть получены в водных растворах путем электрохимического растворения соответствующих металлов. При подаче постоянного тока напряжением 3 – 4 В на две пластины из алюминия или железа будет протекать процесс анодного растворения металла с переходом в раствор ионов Al³⁺ и Fe²⁺. Одновременно на катоде произойдет восстановление ионов водорода:

2Н⁺ + 2е Н₂ пузырек водорода.

Он вызовет дополнительную диссоциацию молекул Н₂О с образованием ионов ОН^-. При наличии в обрабатываемой воде растворенного О₂ на катоде образуются ионы ОН^- согласно реакции

2Н₂О + О₂ + 4е 4ОН^-

с дальнейшим образованием гидроксидов соответствующих металлов.

Основными недостатками пластинчатых электрокоагулянтов является малая интенсивность процесса и большие затраты металла, что ограничивает применение метода электрокоагуляции для обработки вод на водоподготовительных установках.

Значение рН среды при коагуляции играет двоякую роль. Во-первых, концентрация гидроксильных, и, следовательно, водородных ионов определяет скорость и полноту гидролиза коагулянта. Для полного гидролиза Al₂(SO₄)₃ достаточно рН = 5,5 ÷ 7,5. В этом интервале рН наряду с гидроксидом алюминия образуются также труднорастворимые оксисульфаты (рисунок 1).

Рисунок 1 – Процентное распределение р продуктов гидролиза Al₂(SO₄)₃ в зависимости от рН воды.

При избытке ионов Н⁺ (рН < 5,5) оксисульфат диссоциирует как щелочь, то есть не происходит образования новой кинетически неустойчивой фазы и, соответственно, не наблюдается энергичной коагуляции. При увеличении рН > 7,5 гидроксид алюминия как амфотерное вещество начинает вести себя как кислота:

Al(OH)₃ НAlO₂ + H₂O

HAlO₂ H⁺ +

В коагулированной воде возрастает концентрация алюминат-ионов . Во-вторых, значение рН должно быть оптимальным для исключения повышенной растворимости исходных коллоидных примесей (гуминовых кислот, поликремниевых кислот и других соединений), а также для сохранения их отрицательного знака дзета-потенциала (рН среды > рН_о.э). Так, для снижения окисляемости воды, определяемой гуминовыми веществами, их коагуляцию желательно проводить при рН = 5,5 ÷ 6,0, то есть у нижней границы по условиям гидролиза коагулянта, так как в этом случае гуматы переходят в труднорастворимые и хорошо коагулируемые гуминовые кислоты.

Температурный фактор в процессе коагуляции имеет большое значение. При низких температурах и слабом перемешивании происходит вялая коагуляция, причинами которой являются замедленное тепловое движение молекул и повышенная вязкость среды, уменьшение числа взаимных столкновений, адгезионных сил и прочности хлопьев. Поэтому различают физическую и химическую стороны воздействия температуры на процесс. Оптимальной при использовании Al₂(SO₄)₃ для коагуляции является температура 25-30 ⁰С.

Вспомогательные процессы и средства коагуляции обеспечивают интенсификацию и повышение технико-экономической эффективности процесса коагуляции. К их числу относят флокуляцию – процесс агрегации частиц, в котором в дополнение к непосредственному контакту частиц происходит их адсорбционное взаимодействие с молекулами высокомолекулярных веществ, называемых флокулянтами. При этом ускоряются процессы образования хлопьев и их осаждение, повышается плотность агрегатов и осадков.

Флокулянты подразделяются на неорганические и органические, природные и синтетические, на ионогенные и амфотерные. Из неорганических флокулянтов используется активная кремниевая кислота; природными органическими флокулянтами являются крахмал, карбоксилметилцеллюлоза и другие. Синтетические флокулянты получили более широкое применение из-за лучших флокуляционных свойств, среди них в основном используется в настоящее время универсальный флокулянт полиакриламид (ПАА)

Полиакриламид выпускается промышленностью в виде восьмипроцентного геля, который растворяют в быстроходных мешалках на водоподготовительных установках до концентрации 0,1%. Дозировка флокулянта составляет 0,5 – 1,5 мг на 100 мг взвешенных веществ в исходной воде. Раствор полиакриламида вводится через 1,5 – 2 минуты после ввода коагулянта.

Очистка воды методами известкования и содоизвесткования.

Известкование воды, то есть обработка воды Са(ОН)₂, применяется для снижения щелочности (декарбонизации) исходной воды, при этом одновременно уменьшаются жесткость и сухой остаток, удаляются грубодисперсные примеси, соединения железа. Схема установки для известкования обрабатываемой воды приведена на рисунке 2. В подогретую до температуры около 30 ⁰С обрабатываемую воду дозируют в виде суспензии (молока) гашенную известь Са(ОН)₂.

Рисунок 2 – Схема процесса известкования и коагуляции.

1 – исходная вода; 2 – подогреватель; 3 – осветлитель; 4 – ввод извести; 5 – ввод коагулянта; 6 – бак осветленной воды; 7 – перекачивающий насос; 8 – осветлительный фильтр; 9 – ионитные фильтры; 10 – сброс осадка с продувочной водой; 11 – греющий пар; 12 – конденсат пара.

Растворяясь, ее компоненты обогащают воду ионами ОН^- и Са²⁺, сдвигая углекислотное равновесие в сторону образования ионов . В результате повышения их концентрации достигается увеличение образования СаСО₃. В составе этого соединения в осадок выпадает ион Са²⁺ как содержащийся в исходной воде, так и введенный с известью.

Качество известкованной воды оценивают по следующим показателям: остаточной щелочности, содержанию взвешенных веществ или прозрачности, жесткости, сухому остатку и стабильности. Чем больше остаточная концентрация Са²⁺ в известкованной воде, тем меньше остаточная карбонатная и общая щелочность. Исходя из опыта эксплуатации водоподготовительных установок высказанное положение представлено следующими данными, мг-экв/кг:

Состав компонентов общей щелочности будет зависеть от избытка извести, то есть от рН известкованной воды. При титровании известкованной воды кислотой со стандартными индикаторами обнаруживаются только гидратная и карбонатная щелочности, что вносит противоречие в понимание получаемых результатов.

Содержание взвешенных веществ в известкованной воде при налаженном режиме обработки – не более 10 мг/кг. Предельно допустимое содержание их не должно быть больше 20 мг/кг. В эксплуатационной практике из-за трудоемкости и длительности определения концентрации взвешенных веществ используют косвенный показатель – прозрачность воды.

Малая нестабильность (меньше 0,1 мг-экв/кг) – обязательное и важное требование к воде, обрабатываемой методами осаждения, так как при последующей транспортировке и обработке стабильной воды происходит образование карбонатных отложений в трубопроводах, на зернах фильтрующей загрузки осветлительных, а иногда и ионообменных фильтров. В таких случаях необходимы: использование кислотных промывок и более частая смена фильтрующих материалов.

Эффективность процесса известкования воды зависит от целого ряда факторов, к основным из которых относятся: правильное дозирование извести удовлетворительного качества, использование в необходимых случаях коагуляции, подогрев воды до строго заданной температуры, выбор оптимальных режимов движения воды в осветлителях.

Технологический процесс известкования воды широко применяется на теплоэнергетических станциях для вод со щелочностью более 1,5 мг-экв/кг. Следует отметить, что при известковании примеси переходят в сбросные воды в виде твердой фазы, что упрощает их переработку при создании бессточных схем.

Процесс содоизвесткования как метод умягчения применим к водам практически любого состава в отличие от известкования, при котором жесткость воды снижается лишь на значение ее карбонатной составляющей. Для более глубокого умягчения воды необходимо ввести извне ионы . Это достигается известково-содовой обработкой воды, при которой наряду с известью дозируют также кальционированную соду Na₂CO₃, которая за счет диссоциации создает в воде избыток ионов , способствующих переводу в твердую фазу ионов Са²⁺. Дозировку соответствующих реагентов при содоизвестковании выбирают так:

− извести – по уравнению, мг-экв/кг: , принимая избыток извести 0,2 – 0,35 мг-экв/кг;

− соды – с учетом остаточной концентрации ионов Са²⁺ при известковании по формуле: ,

где Д_к – концентрация ионов Са²⁺, идущих на гидролиз коагулянта;

n_с – избыток соды;

n_и – избыток извести;

− остаточная бикарбонатная щелочность известкованной воды при определенном рН.

Если нет необходимости удаления коллоидных примесей (например, при обработке регенерационных стоков), потребная доза соды и извести не включает расход этих реагентов на химические реакции с участием коагулянта FeSO₄.

Исходя из допустимой остаточной щелочности и экономических соображений, избыток соды принимают до 1 мг-экв/кг (n_и = 0,2 – 0,35 мг-экв/кг), что обеспечивает снижение общей жесткости в содоизвестковой воде до 0,3 – 0,4 мг-экв/кг. Такая глубина умягчения способствовала широкому применению этого метода до начала 30-х годов для получения добавочной воды для котлов теплоэнергетических станций, работающих на низком давлении. Позже этот метод был вытеснен катионообменной технологией умягчения воды. В настоящее время содоизвесткование нашло широкое применение в водоподготовительной установке с запрещенным сбросом сточных вод для умягчения регенерационных стоков и их повторного использования.

Очистка воды на механических фильтрах.

Очистка воды на насыпных фильтрах.

Эксплуатация механического фильтра складывается из операций по подготовке фильтра к работе и очистке подаваемой на него воды. Вследствие различия по конструкции и способу применения фильтрующих материалов рассмотрим отдельно режим работы насыпного и намывного фильтров.

Подготовка к работе осветлительного фильтра насыпного типа (рисунок 3) заключается в промывке слоя фильтрующей загрузки от задержанных загрязнений.

Рисунок 3 – Принципиальная схема осветлительного фильтра насыпного типа.

1 – осветлительный фильтр; 2 – фильтрат; 3 – бак промывочной воды; 4 – насос; 5 – расходомер; 6 – сжатый воздух; 7 – бак повторного использования промывочной воды; 8 – спуск первый порций фильтрата; 9 – сброс промывочной воды; 10 – обрабатываемая вода.

Для хорошей промывки необходимо, чтобы зерна фильтрующего материала находились во взвешенном состоянии. При этом необходимо создать также условия, при которых зерна фильтрующего материала сталкивались бы между собой и происходило бы оттирание с их поверхности налипших загрязнений. Промывку фильтрующего материала осуществляют восходящим потоком воды, которую подают в фильтр через нижнее дренажно-распределительное устройство. Необходимым условием промывки является расширение объема слоя фильтрующего материала на 40-50%, позволяющее зернам фильтрующего материала свободно перемещаться в потоке воды.

Отлетающие с поверхности фильтрующих зерен частицы загрязнений и измельчившиеся частицы фильтрующего материала вместе с восходящим потоком воды отводятся из фильтра через верхнее распределительное устройство. Необходимое расширение фильтрующего слоя достигается при соответствующей скорости потока воды, которая характеризуется интенсивностью промывки, то есть расходом воды в л/с через 1 м² площади поперечного сечения фильтра. Она зависит от рода фильтрующего материала, диаметра его зерен и температуры воды. Так, для кварцевого песка интенсивность промывки составляет 15 – 18, для дробленого антрацита – 10 – 12 л/(м²∙с). Ее контролируют по часовому расходу промывочной воды. Время промывки – 6 – 10 минут. Качество промывки контролируют, анализируя пробы воды на мутность.

Для промывки фильтра используют осветленную воду, которую заранее накапливают в специальном баке и подают насосами с напором, преодолевающим сопротивление системы, слоя фильтрующего материала и слоя воды в фильтре. Для экономии осветленной воды рекомендуется повторно использовать промывочную воду.

Для повышения качества промывки в фильтр через дренажно-распределительное устройство подают сжатый воздух с расходом 20 л/(м²∙с). Фильтрующий слой обрабатывают сжатым воздухом в течение 3 – 5 минут до подачи в фильтр промывочной воды. По окончании промывки первый мутный фильтрат сбрасывают либо в дренаж, либо в бак повторного использования промывочной воды. После промывки фильтр включают в работу.

Во время работы фильтра вода подается через верхнее дренажно-распределительное устройство на слой фильтрующего материала, проходит его и с помощью нижнего дренажно-распределительного устройства собирается и отводится из фильтра в общий коллектор осветленной воды. Скорость фильтрования при этом составляет 10 м/ч для схем с осветлителями и 5 м/ч для схем без осветлителей. Во время работы фильтра необходимо поддерживать постоянной скорость фильтрования, контролировать перепад давления на слое фильтрующего материала, отбирать пробы исходной воды и фильтрата для определения мутности. При снижении прозрачности фильтрата, а также при достижении максимально допустимого перепада давления на слое материала, фильтр отключают на промывку.

В осветлительных фильтрах, предназначенных для очистки конденсата турбин от продуктов коррозии, применяют сополимер стирола и дивинилбензола. Скорость фильтрования – 100 м/ч, температура конденсата – до 333 К (60 ⁰С).

Во время работы запрещается взрыхлять фильтрующий материал во избежание перемешивания зерен сополимера. Отключение фильтра проводят таким образом, чтобы не вызвать взрыхления и перемешивания фильтрующего слоя. После отключения производят дренирование фильтра. Уровень воды в фильтре устанавливают на 200 мм ниже верхней границы фильтрующего материала, после чего производят выгрузку из фильтра части фильтрующего слоя толщиной δ = 200 мм, и затем производят догрузку в фильтр свежего фильтрующего материала. По окончании догрузки производят отмывку фильтрующего материала конденсатом или обессоленной водой со скоростью V = 60 – 80 м/ч до тех пор, пока фильтрат по качеству станет соответствовать конденсату, обработанному на механическом фильтре.

Поиск по сайту: