Процес освітлення води використовують в якості підготовчого технологічного етапу для отримання води питної якості на станціях водопідготовки та для очищення стічних вод – від міської каналізації аж до септиків на приватних подвір’ях. Як це працює?
Непідготовану воду із природних водоймищ та брудну стічну воду можна вважати водним колоїдним розчином, в якому вільно плавають («флотують») мікрочастинки забруднень. Вони можуть бути органічними та неорганічними. Водний колоїд – зазвичай доволі стабільний розчин та, «флотуючи», частки можуть перебувати в ньому доволі довго. Деякі частки забруднень мають «комплексний» характер та являють собою скупчення органічних та неорганічних речовин, які можуть хімічно реагувати між собою, чи навпаки, не утворювати саме хімічних сполук, а з’єднуватися (агрегуватися) між собою завдяки іонним зв’язкам. З часом деякі найбільші частки забруднень випадають в осад природнім шляхом, але це дуже повільний процес. При цьому найменші частки продовжують вільно плавати у водному колоїді. Для того, щоб полегшити та прискорити процеси агрегування та випадіння в осад забруднених мікрочастинок застосовують спеціальні речовини – коагулянти та флокулянти. Як це діє та в чому різниця між обома типами цих реагентів для освітлення води?
Що таке коагуляція та флокуляція?
В процесах очищення забруднених та стічних вод для видалення твердих речовин, освітлення води, пом’якшення вапна, згущення мулу та зневоднення твердих речовин, та для стимулювання у водному колоїдному розчині власне процесів розділення зважених часток – флокуляції та коагуляції – використовуються спеціальні хімічні речовини (реагенти).
Частки забруднень, що флотують в водному колоїді, мають на своїй поверхні однаковий (зазвичай – негативний) заряд і при наближенні відштовхуються одна від іншої, див. рис. 1.
Рис. 1. Відштовхування контамінантів у водному колоїдному розчині
Це заважає їм утворювати укрупнені частки, що втрачають здатність утримуватися в розчині та відтак під дією сили тяжіння випадати в осад. Обробка коагулянтами нейтралізує негативний електричний заряд на частинках забруднень та дещо дестабілізує сили, що утримують контамінанти у колоїді окремо одна від іншої.
Коагулянти для обробки води складаються з позитивно заряджених молекул, які при додаванні до води та змішуванні забезпечують нейтралізацію цього заряду. Це стимулює частки забруднень до зближення між собою та до формування укрупнених нещільних агрегатів. В процесі обробки води для видалення зважених твердих речовин зазвичай використовуються неорганічні та органічні коагулянти, або комбінацію з обох типів.
Коли неорганічний коагулянт додають до води, що містить колоїдну суспензію, іони металу (катіони) з коагулянта (що мають позитивний заряд) нейтралізують негативно заряджений подвійний електричний шар колоїдних часток (див. рис. 2) та усувають причини їх відштовхування одна від одної. Частки забруднювача тепер можуть агрегуватися у більші частки (див. рис. 3).
Рис. 2. Оточення часток контамінантів іонами коагулянта
Приблизно те ж саме відбувається з органічним коагулянтом, за винятком того, що позитивний заряд найчастіше походить від групи амінів (NH4)+, що приєднуються до молекул, з яких складається контамінант.
Рис. 3. Утворення з агрегатів укрупнених конгломератів з часток забруднення, їх зближення та ущільнення
Флокуляція – подібний до коагуляції процес, тому часто флокуляцію власне не відрізняють від коагуляції, але вона має деякі відмінності. Флокулянти збирають з колоїду дестабілізовані частинки разом у т. з. флокули, змушують їх агломеруватися («злипатися») та конгломеруватися (утворювати настільки великі частинки, які в результаті здатні швидко випадати з розчину в осад). Речовини флокулянтів – зазвичай органічні та включають низько-, середньо- та високомолекулярні полімери, про що буде сказано нижче.
Механізм коагуляції
В якості неорганічних коагулянтів зазвичай використовують «слабкі» солі. «Слабкі» солі в воді (а вода – це, відповідно, іон водню H+ та гідроксильна основа OH-) утворюють катіони (Me+) та аніон відповідної кислоти (іон-). Якщо кислота, з якої утворювалася сіль, є доволі «сильною», то у воді разом з іоном H+ вона проявляє себе власне, як розбавлений водний розчин кислоти, а метал із солі виявляє свою «слабкість» та разом з гідроксильною основою OH- «гідролізується», тобто утворює слабку лугу типу Me(OH)n. Деякі з таких слабких луг мають властивість не розчинятися у воді, утворюючи осади гідроксиду металу (наприклад, алюмінію чи заліза). Таким чином, водний розчин «закислюється», бо гідроксильна група OH- вже не впливає на співвідношення іонів у загальному розчині, а катіони H+ та аніони (-) від кислотної групи разом фактично утворюють слабкий розчин відповідної кислоти.
Наприклад, у якості коагулянтів часто використовують солі алюмінію (гидроксохлорид, гідроксосульфат, сульфат) чи заліза (хлорид і сульфат). У воді катіони алюмінію та заліза утворюють нерозчинні луги (Al(OH)3 чи Fe(OH)2), а «вільні» іони водню H+ прагнуть створити відповідні розчини з іонів кислот (наприклад, сірчаної H2SO4, вуглецевої H2CO3 чи соляної кислоти HCl).
Такий іонний механізм за декілька хвилин призводить до утворення у водному колоїді т. з. конгломератів – часток забруднювача більшого розміру та загальної ваги, які схильні утворювати нещільні «пластівці». Надалі ці пластівці ще більше злипаються разом, ущільнюються та втрачають здатність флотувати (вільно плавати), та завдяки силі тяжіння вони осаджуються на дно резервуару для освітлення (див. рис. 3).
Осадження нерозчинних часток зі слабких лужних сполук металів також є допоміжним для первинного освітлення води. Цей механізм можна порівняти зі снігопадом у брудному повітрі. Коли випадає сніг, він адсорбує частинки забруднень в повітрі, які потім спільно осідають, а повітря таким чином очищується. При обробці води «металевий дощ» з гідроксиду металу діє на воду так само, як снігопад діє на повітря.
Інтенсивність конгломерації підвищується за вищої температури (до + 30 –40°C) та оптимальної концентрації. Кількість доданого коагулянту визначається за результатами хімічного аналізу неосвітленої води та залежить в тому ж числі і від пори року. Після додавання коагулянту первинний неосвітлений розчин набуває слабкий лужний, нейтральний pH (5,5 – 7), або слабкий кислий стан в залежності від типу застосованого неорганічного реагенту та його концентрації.
Неорганічні та органічні коагулянти
Неорганічна коагуляція є економічно ефективною і застосовується для освітлення широкого спектра забрудненої води та стічних вод. Обробка неорганічним коагулянтом особливо ефективна для сирої води з низькою каламутністю (загальна концентрація зважених твердих речовин) і часто застосовується для такої води, яку не можуть освітлити органічні коагулянти. Багато водних колоїдних суспензій, що важко піддаються покращенню якості іншим чином, можна ефективно очищувати саме за допомогою неорганічних коагулянтів.
Треба враховувати, що, поруч із тим, що викид осаду гідроксиду металу є вигідним в процесі очищення води, відпрацьований коагулянт врешті додається до загального обсягу мулу, який потім необхідно видалити, обробити та утилізувати. Ці осади також мають тенденцію до збільшення загальної щільності та ступеню зневоднення осаду порівняно з осадами, створеними органічними коагулянтами. Таким чином, рекомендується вчасно видаляти осади з неорганічними коагулянтами, бо вони врешті втрачають здатність утримувати в своїй масі речовини забруднювача – при надмірно тривалому перебуванні в осаді пластівці з неорганічних коагулянтів настільки ущільнюються, що «витискають» із свого об’єму певну кількість речовини забруднювача.
Проте, найбільш застосовувані в Україні неорганічні коагулянти – солі алюмінію та заліза – дуже дешеві, тому що це є побічний продукт металургійної промисловості. Наприклад, хлорид заліза, є найменш дорогим неорганічним коагулянтом, оскільки він утворюється у вигляді відходів при виробництві сталі. Однак це, безумовно, є найбільш агресивний і небезпечний неорганічний коагулянт, його використання обмежується тими виробництвами з водоочищення, що спеціально обладнані для безпечного поводження з ним.
Для певних джерел води для розділення твердої рідини більше підходить органічне згортання. Органічні коагулянти зазвичай використовують тоді, коли бажано зменшити утворення занадто щільного мулу. Крім того, комбінація з органічних та неорганічних хімічних речовин часто є ефективнішою, ніж застосування органічних або неорганічних сполук окремо. Правильна суміш часто може поєднувати переваги використання механізму дії неорганічного коагулянту (утворення пластівців) та зменшення утворення щільних шлаків, що загалом характерне для органічних коагулянтів.
Молекулярні сполуки, що мають амінну групу – це найбільш широко вживані класи хімічних речовин для органічної коагуляції. Вони функціонують лише за принципом нейтралізації заряду, тому власне їх вирізняють серед інших коагулянтів та не відносять до флокулянтів, як більшість органічних речовин для освітлення. Поліаміни, як правило, ефективно обробляють сиру воду з відносно більшою каламутністю, ніж при застосуванні неорганічних коагулянтів. Поліаміни також ефективні при очищенні багатьох різновидів стічних вод.
Меламінові формальдегіди та таніни – це органічні полімери цілком природнього походження, вони діють подібно до неорганічних реагентів, але й створюють власну флокулу, що осаджується. Такий осад легко адсорбує органічні матеріали, такі як олія та жир. Цей механізм здатний поглинати рідкі нафтопродукти та парафіни, а також витискати воду з осаду назовні, відтак цей коагулянт особливо придатний для експлуатації агрегатів, що утворюють небезпечний мул на нафтопереробних заводах. Дані хімікати значно дорожчі у використанні, ніж звичайні неорганічні коагулянти, однак їх застосування може принести економічну користь, якщо враховувати витрати на видалення та утилізацію ущільненого та небезпечного мулу.
Флокулянти та флокуляція
Головна відмінність процесу флокуляції від власне коагуляції – це подальша дія на конгломеровані частки забруднювача. Флокуляцію можна розглядати як допоміжний процес після попередньої коагуляції.
Зазвичай флокулянти – це органічні речовини з довгими полімерними ланцюжками. Заряд у радикалів флокулянта зазвичай негативний, тобто протилежний позитивному заряду часток коагулянта. Відтак довгі молекули флокулянта «огортають» конгломерати, що утворилися завдяки коагулянту, щоб їх зв’язати у ще більші утворення, аніж конгломерати – у т.з. флокули та ущільнити їх (див. рис. 4).
Рис. 4. «Огортання» коагульованих конгломератів молекулами флокулянту та ущільнення флокул
Надалі молекули флокулянту «протискуються» всередину флокул, витискають зайву воду та агрегуються в макро-глобули, що швидко втрачають здатність флотувати та випадають в осад дією сили тяжіння (див. рис. 5). Флокулянти «зчіплюють» між собою пластівці, що утворилися від коагуляції. Проте, такі макролобули абсорбують та можуть втримувати всередині різні забруднювачі органічного походження, в тому числі речовини з нафти та інші органічні токсичні сполуки, вони менш схильні до надмірного ущільнення, як це відбувається з часом після обробки неосвітленої води лише неорганічним коагулянтом.
Рис. 5. Зв’язування коагульованого забруднювача ланцюжками з молекул флокулянта, ущільнення та випад в осад
Процес флокуляції пришвидшує освітлення води та утворює осад і мул, що легше видаляти та в подальшому переробляти. Флокулянти також «огортають» та спрямовують в осад органічні частки та мікробіологічні утворення, що містяться у воді – одноклітинні, грибкові спори, бактерії тощо.
Флокулянтами можуть виступати відомі природні речовини – дріжджі, крохмаль, декстрин, харчові загусники (альгінати) тощо.
Власне флокулянти зазвичай класифікують за чотирма групами:
- Аніонні – розчиняються у воді, утворюючи аніони (як поліакриламід та його сполуки й модифікації).
- Катіонні – утворюють у воді позитивно заряджені комплекси. Катіонні флокулянти наразі прогресують у поширенні свого використання, бо їх можна застосовувати без етапу обробки води коагулянтом.
- Неіонні – нерозчинні флокулянти, які діють за механізмом поверхневого змочування часток бруду. Більшість природних флокулянтів діє за цим принципом. До цієї групи також відносять поширений синтезований флокулянт – поліетиленоксид.
- Амфотерні флокулянти розчиняються у воді з одночасним утворенням катіонних та аніонних груп.
На українських станціях промислової водопідготовки широко використовують поліакриламід, його сополімери та похідні сполуки, адже він достатньо ефективний та недорогий. На водоканалах країни разом з неорганічним коагулянтом (алюмінію гідрохлорид) широко використовуються такі флокулянти, як поліакриламід та силікат натрію. Силікат натрію (натрієва сіль силікатної кислоти, Na2SiO3) є широко застосовуваним у виробництві скла реагентом та водночас – як поодинокий приклад поширеного неорганічного флокулянта.
Отже, механізм дії коагулянтів та флокулянтів дещо відрізняється один від одного як за хімією процесу, так і за метою. Зазвичай процес освітлення має дві стадії – попередня обробка коагулянтами, потім додавання у водний колоїд флокулянтів. Але є флокулянти, що можуть діяти одночасно як коагулянти (для створення конгломератів часток забруднень) та власне як флокулянти, тобто для того, щоб згрупувати конгломерати забруднювача та пришвидшено позбавити їх флотуючої здатності, видалити в осад та абсорбувати в нещільну осадову масу інші нерозчинні речовини та частки.
Потім освітлена вода проходить ще декілька стадій водопідготовки – очищення до питної якості для подальшої подачі у водопровідну мережу, або до стану, коли її можна скидати в природне середовище, для поливу сільськогосподарських угідь.
Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!
Переглянуто: 4 486
