Реагенты, используемые при водоподготовке
При улучшении качества воды в качестве коагулянтов используютсоли алюминия и железа. В отечественной практике обычно их применяют в растворенномсостоянии. В табл.1.1 приведена растворимость коагулянтов (в пересчете на безводныйпродукт), а в табл.1.2 — плотность растворов коагулянтов различной концентрации.Приведенная в этих таблицах массовая концентрация См (число граммов растворенноговещества в 100 г раствора) переводится в объемно-массовую концентрациюС0(число граммов растворенного вещества в 1 л раствора) по уравнению
Со=10ρСм,
где ρ — относительная плотность раствора (для воды ρ=1000кг/м3).
Зависимость плотности от температуры выражается формулой
pi= pt+ a(t-t),
где а=0,25.0,4 кг/ (м3*°С) — температурный коэффициентплотности; t°, t— соответственно температуры измеренная и расчетная.
Таблица 1.1 Растворимость, % по массе, при температуре раствора,°С Коагулянт 10 20 30 40 50 60 80 100
Al2 (S04) 3 23,8 25,1 26,7 28,8 31,4 34,3 37,3 42,2 47,1
FeCl3 42,7 45,0 47,9 51,6 - 78,2 78,9 84,0 84,3
FeS04 13,5 17,0 21,0 24,8 28,7 32,3 35,5 30,5 -
Таблица 1.2 Коагулянт Температура растворов,°C
Плотность раствора, кг/м3, при его концентрации,
% по массе 1 2 4 6 8 10 20 30 40 50
Al2 (S04) 3 19,0 1000 1019 1040 1060 1033 1105 1266 1338 -
FeCl3 17,5 1007 1015 1032 1049 1067 1085 1182 1291 1417 1551
Fe2 (S04) 3 17,5 1007 1016 1033 1050 1067 1084 1181 1307 1449 1613
FeSO4 18,0 1008 1018 1037 1057 1078 1100 1213 - - - /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
В водоподготовке применяют следующие алюминийсодержащие коагулянты:сульфат алюминия, оксихлорид алюминия, алюминат натрия (табл.3.3).
Таблица 1.3 Коагулянт Формула Содержание, % по массе
Al2O3 нерастворимых примесей Сульфат алюминия: неочищенный
A1* (S04) 3 18Н2О >9 Al2 (S04) 3 18Н20
Al2 (S04) 3 14Н20
Al2 (S04) 3 12Н20
>13,5
17.19
28,5
3,1 Оксихлорид алюминия
Ala (ОН) 5С1 6Н2О 40.44 - Алюминат натрия
NaA102 45.55 6.8
Сульфат алюминия A1* (S04) 3 18Н2О — неочищенный техническийпродукт, представляющий собой куски серовато-зеленоватого цвета, получаемые путемобработки бокситов, нефелинов или глин серной кислотой. Он должен иметь не менее9% А120з, что соответствует содержанию порядка 30% чистого сульфата алюминия.В нем также содержится около 30% нерастворимых примесей и до 35% воды.
Очищенный сульфат алюминия (ГОСТ 12966-85*) получают ввиде плит серовато-перламутрового цвета из неочищенного продукта или из глиноземарастворением в серной кислоте. Он должен иметь не менее 13,5% А120з,что соответствует содержанию 45% сульфата алюминия. Оба рассмотренных коагулянтаперевозят навалом в закрытых железнодорожных вагонах.
В России для обработки воды выпускается также 23 — 25% -ный растворсульфата алюминия. При его применении отпадает необходимость в специальном оборудованиидля растворения коагулянта, а также упрощаются и удешевляются погрузочно-разгрузочныеработы и транспортирование.
Глинозем имеет повышенную чувствительность к рН и температуреобрабатываемой воды. Изоэлектрическая область для гидроксида алюминия, где у негонаименьшая растворимость соответствует рН=6,5.7,5. При более низких значениях рНобразуются частично растворимые основные соли, при более высоких — алюминаты. Притемпературе исходной воды ниже 4ºС в результате возрастания гидратации гидроксидаалюминия замедляются процессы коагулирования ее примесей и декантации хлопьев, быстрозасоряются фильтры, осадок гидроксида алюминия отлагается в трубах, остаточный алюминийпопадает в фильтрат, а хлопья гидроксида образуются в воде уже после подачи потребителям.
Оксихлорид алюминия А12 (0Н) 5СЬ6Н20представляет собой зеленоватые кристаллы, получаемые растворением свежеосажденногогидроксида алюминия в 0,5-1% -м растворе соляной кислоты. Реагент содержит 40.44%А1203 и 20.21 NaCI. Выпускается ввиде 35% -ного раствора. При его применении минерализация воды возрастает, а еещелочность снижается в меньшей степени, чем при введении сульфата алюминия, чтоособенно важно при обработке мягких вод.
Алюминат натрия NaA102представляет собой твердые куски белого цвета с перламутровым блеском на изломе,получаемые растворением гидроксида или оксида алюминия в растворе гидроксида натрия.Сухой товарный продукт содержит 55% А120з, 35°/о Na20и до 5% свободной щелочи NaOH. Растворимость NaA102 — 370 г/л (при 20°С). Насыпная масса 1,2..1.8т/м3.
В водообработке применяют также железосодержащие коагулянты:хлорное железо, сульфаты железа (II) и железа (III), хлорированный железный купорос.
Хлорное железо FeCl3*6H20 (ГОСТ 11159-86) представляет собой темные с металлическимблеском кристаллы, очень гигроскопичные, поэтому транспортируют его в железных герметичныхбочках. Получают безводное хлорное железо хлорированием стальной стружки при температуре700ºС, а также как побочный продукт при производстве хлоридов металлов горячимхлорированием руд. Содержит в товарном продукте не менее 98% FeCl3.Плотность 1,5 т/м3.
Сульфат закиси железа FeS04*7H20 (железный купорос по ГОСТ 6981-85) представляетсобой прозрачные зеленовато-голубые кристаллы, легко буреющие на воздухе в результатеокисления железа (П). Товарный продукт выпускается двух марок (А и Б), содержащихсоответственно не менее 53 и 47% FeS04, не более0,25 и 1% свободной H2S04и не более 0,4 и 1% нерастворимого осадка. Поставляют его в деревянных бочках илибарабанах массой до 120 кг, а также в ящиках массой 80 кг, плотность 1,5 т/м3. Промышленность выпускает также и 30% -ный раствор сульфата железа(II), содержащий до 2%, свободной H2S04. Транспортируют его в гуммированной таре.
Окисление гидроксида железа (II), образующегося при гидролизежелезного купороса при рН воды менее 8, протекает медленно, что приводит к неполномуего осаждению и неудовлетворительному коагулированию. Поэтому перед вводом железногокупороса в воду добавляют известь или хлор либо оба реагента вместе, усложняя иудорожая тем самым водообра — ботку. В связи с этим железный купорос используютглавным образом в технологии известкового и известково-содового умягчения воды,когда при устранении магниевой жесткости значение рН поддерживают в пределах 10,2.13,2и, следовательно, соли алюминия не применимы.
Сульфат железа (Ш) Fe2(S04) 3*2H20(сульфат железа окисный по ВТУ УХКП52-86) получают растворением оксида железа всерной кислоте. Продукт кристаллический, очень гигроскопичный, хорошо растворяетсяв воде. Поставляется в бумажных мешках, плотность 1,5 т/м3. Использованиесолей железа (III) в качестве коагулянта предпочтительнее по сравнению с сульфатомалюминия. При их применении улучшается коагуляция при низких температурах воды,на процесс мало влияет рН среды, ускоряется декантация скоагулированных примесейи уменьшается время отстаивания (плотность хлопьев гидроксида железа (III) в 1,5раза больше, чем гидроксида алюминия). К числу недостатков солей железа (III) относитсянеобходимость их точной дозировки, так как ее нарушение приводит к проникновениюжелеза в фильтрат. Хлопья гидроксида железа (III) осаждаются неравномерно, в связис чем в воде остается большое количество мелких хлопьев, поступающих на фильтры.Эти недостатки в значительной мере устраняются при добавлении сульфата алюминия.
Хлорированный железный купорос Fe2(S04) 3+FeCl3получают непосредственно на водоочистных комплексах обработкой раствора железногокупороса хлором, вводя на 1 г FeS04-7H2О 0,160.0,220 г хлора.
Смешанный алюможелезный коагулянт приготовляют из растворовсульфата алюминия и хлорного железа в пропорции 1: 1 (по массе). Рекомендуемое соотношениеможет изменяться в конкретных условиях работы очистных сооружений. Максимальноеотношение FeCl3 к Al2(S04) 3 при применении смешанного коагулянтапо массе равно 2:
1. Вода, обработанная смешанным коагулянтом, как правило, недает отложений даже при низкой температуре, так как формирование и седиментацияхлопьев заканчиваются в основном до фильтров; хлопья осаждаются равномерно, и всооружениях I ступени достигается более полное осветление воды. Применение смешанногокоагулянта позволяет существенно сократить расход реагентов. Составные части смешанногокоагулянта можно вводить как раздельно, так и предварительно смешав растворы. Первыйспособ более гибок при переходе от одного оптимального соотношения реагентов к другому,однако, при втором проще осуществлять дозирование.
Флокулянтами в технологии очистки воды называют высокомолекулярныевещества, интенсифицирующие процесс хлопьеобразования гидроксидов алюминия или железа(III), а также работу отдельных водоочистных сооружений. Они принадлежат к классулинейных полимеров, для которых характерна цепочечная форма макромолекул. Молекулярнаямасса флокулянтов колеблется в пределах от десятков тысяч до нескольких миллионов;длина цепочки, состоящей из ряда одинаковых звеньев, составляет сотни нанометров.Они хорошо растворимы в воде. Их водные растворы являются истинными растворами,т.е. гомогенными однофазными термодинамически устойчивыми системами.
Высокомолекулярные флокулянты классифицируют на органические(природные и синтетические) и неорганические, на анионного и катионного типа. Вкачестве флокулянтов из природных веществ используют крахмал, водорослевую крупку,белковые гидролизные дрожжи, картофельную мезгу, альгинат натрия и др. Из синтетическиханионных флокулянтов наиболее широко применяют органический полимер полиакриламид(ПАА), затем флокулянты серии К (К-4, К-6 и др.). Организовано также производствофлокулянтов катионного типа (ВА-2, ВА-3, ВА-102, ВПК-Ю1, ВПК-402, КФ, УКФ, ВАФ),которые в отличие от ПАА вызывают образование крупных хлопьев без предварительнойобработки примесей воды коагулянтами. Среди неорганических флокулянтов наибольшеераспространение получил активированный силикат натрия — активная (активированная)кремниевая кислота (АК).
Полиакриламид — белое аморфное, хорошо растворимое в водевещество, содержащее ионогенные группы; при гидролизе образует акриловую кислотуи ее соли. Механизм действия ПАА основан на адсорбции его молекул на частицах примесейводы, гидроксидов алюминия или железа (III), образующегося при гидролизе солей-коагулянтов.Молекулы ПАА способны образовывать ассоциаты фибриллярных структур цепочки длиной130 нм. Благодаря вытянутой форме молекулы адсорбция происходит в разных местахс несколькими частицами гидроксида, в результате чего последние связываются полимернымимостиками в тяжелые, крупные и прочные агрегаты (глобулы). Для очистки воды применяютдва сорта технического ПАА
Флокулянт ВА-2 (поли-4-винил-1Ч-бензилтриметиламмонийхлорид)представляет собой порошкообразный или 7.15% -ный подвижный раствор полиэлектролита[молекулярная масса (5.10) 104]. Механизм действия ВА-2 заключается втом, что, имея положительный заряд, его макроионы адсорбируются на отрицательнозаряженных коллоидно-дисперсных примесях воды, образуя крупные агрегаты. Поэтомупри применении флокулянтов катионного типа хлопьеобразование происходит без обычныхминеральных коагулянтов. Присутствующие в природных водах высокомолекулярные гуминовыекислоты формируют c. ВА-2 нерастворимые агрегаты. Фенольныеи гидроксильные. группы гуминовых кислот, взаимодействуя с основными группами флокулянта,образуют малодиссоциированные соли.
При обработке маломутных цветных вод флокулянтом ВА-2 образованиекрупных хлопьев, однако, не происходит даже в оптимальных условиях перемешивания.Эффективное отделение хлопьев может быть достигнуто только путем фильтрования. Поэтомупри очистке маломутных цветных вод ВА-2 следует применять только в одноступенныхсхемах с контактными осветлителями или крупнозернистыми фильтрами. Расход флокулянтапри этом составляет 1 мг/л на 7.10 град цветности, что экономически не выгодно.
В отличие от минеральных коагулянтов ВА-2 не увеличивает содержаниявзвешенных веществ, не повышает солесодержание воды, не изменяет ее рН и не усиливаеткоррозионных свойств воды. Это обстоятельство является одним из важнейших преимуществкатионных полимеров. Кроме того, замена коагулянта на ВА-2 сокращает объемы складскихпомещений и значительно упрощает эксплуатацию реагентного хозяйства. ПрименениеВА-2 наиболее эффективно при обработке мутных вод. Предварительные технико-экономическиерасчеты показали, что применение ВА-2 в дозах до 1,5 мг/л является более выгодным,чем обработка воды сернокислым алюминием. Содержание ВА-2 в очищенной воде, исходяиз санитарнотоксикологических исследований, не должно превышать 0,5 мг/л.
Активная кремниевая кислота (АК) представляет собой коллоидныйводный раствор кремниевых кислот их труднорастворимых солей, получаемых частичнойили полной нейтрализацией щелочности силиката натрия (жидкого стекла) (ГОСТ 13078-81и ГОСТ 13079-81) при воздействии активатора (серная кислота, сульфат алюминия, хлор,гидрокарбонат или гидросульфат натрия и др.). Получаемые молекулы кремниевой кислотывыделяются из раствора в виде отрицательно заряженных коллоидных частиц. Механизмвзаимодействия АК с агрегативно-неустойчнвыми примесями воды, а также с гидроксидамиалюминия и железа (III) объясняется взаимной коагуляцией разноименно заряженныхчастиц и ее действием на свойства сверхмицеллярных структур, образующихся при введениикоагулянта.
Растворы АК не выпускаются промышленностью, а готовятся на местеприменения непосредственно перед использованием, т.е. они не относятся к стандартнымпродуктам с определенными свойствами. Последнее объясняется колебаниями в широкихпределах содержания отдельных компонентов и модуля жидкого стекла, что влечет засобой нестабильность режима активации, который необходимо корректировать для каждойпартии жидкого стекла. Наиболее быстрое образование геля АК и его коагуляция происходятпри рН=5,5; при более низких значениях рН процесс замедляется. На эффективностьфлокулирующего действия АК влияют концентрация силиката натрия, степень его нейтрализации,продолжительность хранения полученных растворов. Наиболее перспективным способомприготовления АК на водоочистных комплексах является обработка растворов жидкогостекла хлором и сульфатом алюминия, т.е. реагентами, обычно применяемыми при очисткеводы. Золи АК, обладающие наиболее высокими флокулирующи — ми свойствами, при активациихлором могут быть получены при соблюдении следующих условий: концентрация растворасиликата натрия (в пересчете на Si02) 0,5.3,5%;мольное отношение С12: Na20=0,7.1,5;время вызревания 50.80% времени гелеобразования (при С12: Na20=0,7: 1,0) и 20.50% (при С12: Na20=l: 1,5); жесткость водыдля разбавления до 4 мг-экв/л. В табл.3.4 приведены оптимальные параметры процессаприготовления АК хлорированием растворов жидкого стекла.
Таблица 1.4
Концентрация золя АК (В пересчете на SiO2) % Температура,°С
Молярное отношение Cl2/Na20 при способе непрерывном периодическом 1.5
2
10
20
1,16
1,05
0,98
0,98
0,93
0,88 2,0
2
10
20
1,00
0,89
0,85 0,85 2,5 2 0,84 -
Примечание. Время вызревания золей для непрерывного способа составляет5.10, для периодического — 60 мин.
Активированную кремнекислоту рекомендуется применять при обработкемаломутных, цветных вод дозами 0,05.5 мг/л. Важным ее преимуществом перед ПАА являетсяболее высокая эффективность при обработке холодной воды и значительно меньшая стоимость.
Применение флокулянтов при обработке воды позволяет ускоритьв камерах хлопьеобразования и отстойниках формнрование хлопьев и их декантацию,повысить эффект осветления воды и увеличить скорость ее движения в сооружения. Восветлителях со взвешенным осадком они увеличивают концентрацию частиц во взвешенномслое и уменьшают их вынос из него при одновременном повышении скорости восходящегопотока воды. Использование флокулянтов на фильтровальных аппаратах способствуетудлинению времени защитного действия загрузки, улучшению качества фильтрата, повышениюскорости фильтрования и относительному сокращению расхода промывной воды. Использованиефлокулянтов на действующих очистных сооружениях позволяет увеличивать их производительностьи водоочистного комплекса в целом. В отдельные периоды года (паводки, низкие температурыводы и др.), когда технологические сооружения обеспечивают получение воды стандартногокачества лишь при пониженной производительности, использование флокулянтов позволяетсохранять требуемую подачу воды. Флокулянты могут также значительно улучшить качествоочищенной воды, если эксплуатируемые технологические сооружения по типу или расчетнымпараметрам не соответствуют загрязняющим воду примесям. В ряде случаев применениефлокулянтов позволяет увеличить производительность действующих комплексов в 1,5раза, а при правильном сочетании с простейшими мероприятиями по реконструкции сооруженийеще больше; сократить размеры сооружений и снизить на 15.20% стоимость очистки воды.
Помимо коагулянтов и флокулянтов в технологии улучшения качестваводы применяют много других реагентов, о которых дает представление табл.1.5
/>
/>
/>
соль железо алюминий коагулянт
Литература
1. Алексеев Л.С., Гладков В.А. Улучшение качества мягких вод. М., Стройиздат, 1994 г.
2. Алферова Л.А., Нечаев А.П. Замкнутые системы водного хозяйства промышленныхпредприятий, комплексов и районов. М., 1984.
3. Аюкаев Р.И., Мельцер В.3. Производство и применение фильтрующих материаловдля очистки воды.Л., 1985.
4. Вейцер Ю.М., Мииц Д.М. Высокомолекулярные флокулянты в процессах очисткиводы. М., 1984.
5. Егоров А.И. Гидравлика напорных трубчатых систем в водопроводных очистныхсооружениях. М., 1984.
6. Журба М.Г. Очистки воды на зернистых фильтрах. Львов, 1980.