Курсовая работа: Полиакриламидные флокулянты
Курсовая работа: Полиакриламидные флокулянты
ПОЛИАКРИЛАМИДНЫЕ ФЛОКУЛЯНТЫ
ВВЕДЕНИЕ
полиакриламидный флокулянт очистка сточный электростанция
Флокулянты - это
водорастворимые высокомолекулярные соединения, которые при введении в
дисперсные системы адсорбируются или химически связываются с поверхностью
частиц дисперсной фазы и объединяют частицы в агломераты (флокулы), способствуя
их быстрому осаждению. История применения высокомолекулярных веществ для
очистки жидкостей от взвешенных примесей уходит своими корнями в глубокую
древность. Так, еще за 2000 лет до н.э. в Индии вытяжки некоторых растений,
содержащие природные полимеры, применялись для очистки воды, а в Древней Греции
природный полимер - яичный белок использовался для осветления вин. В XVIII-XIX
веках природные полимеры - желатина и крахмал стали использовать для очистки
фруктовых соков. Несмотря на столь давнюю историю, практическое применение
флокуляции в промышленных процессах началось в период между 30-ми и 50-ми
годами XX века. Флокулянты использовали для очистки шахтных вод от частиц угля
и глины, для выделения и обезвоживания шлаков фосфоритов при получении урановых
солей, для интенсификации очистки промышленных сточных вод. Но действительно
широкое применение флокулянты получили с середины 50-х годов в связи с
необходимостью очистки увеличивающихся объемов сточных вод и модернизации
технологических процессов, связанных с разделением твердых и жидких фаз. Когда
возросший спрос в флокулянтах не мог больше удовлетворяться природными полимерами,
началось внедрение органических искусственных (производных крахмала и
целлюлозы) и чаще синтетических полимеров. Среди синтетических полимеров
наибольшее распространение и применение получила группа полиакриламидных
флокулянтов (ПФ). В связи с большой практической значимостью ПФ в статье
рассмотрены наиболее перспективные пути управления процессом флокуляции и
эффективного использования ПФ. В современной экологии флокулянты применяют для
очистки сточных вод теплоэлектростанций.
Глава
1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ И ИХ УСТОЙЧИВОСТИ
Дисперсные системы
гетерогенны и состоят из двух фаз, одна из которых (дисперсная фаза)
раздроблена и распределена в сплошной дисперсионной среде. Дисперсные системы
очень многообразны (облака, туманы, природные и сточные воды, мыльная пена,
молоко, кровь). Они различаются агрегатным состоянием дисперсной фазы и
дисперсионной среды (твердые, жидкие и газообразные), а также размерами частиц
дисперсной фазы. Наиболее важными и распространенными являются системы с жидкой
дисперсионной средой. К ним относятся природные и сточные воды, а также
промышленные суспензии. По кинетическим свойствам они являются
свободнодисперсными системами, в которых частицы дисперсной фазы могут свободно
передвигаться. По размеру частиц дисперсии делят на грубодисперсные (> 10- 3 см), микрогетерогенные (от 10- 5 до 10- 3 см) и ультрамикрогетерогенные (от 10- 7 до 10- 5 см). Последние называются коллоидными системами.
Устойчивость дисперсных
систем характеризуется неизменностью во времени равновесного распределения
дисперсной фазы в объеме среды, которая определяется взаимодействием
межмолекулярных сил притяжения и электростатических сил отталкивания между
частицами (теория Дерягина - Ландау - Фервея - Овербека). Дисперсные системы
разделяются на лиофильные и лиофобные. Первые характеризуются интенсивным
взаимодействием частиц со средой и термодинамической устойчивостью (например,
дисперсии мыл, глины и агрегаты высокомолекулярных соединений в воде), а для
вторых интенсивность взаимодействия между частицами превышает взаимодействие
частиц со средой, что придает термодинамическую неустойчивость системе
(например, коллоидные растворы - золи сульфидов металлов, суспензии
грубодисперсных частиц). Различают седиментационную и агрегативную устойчивость
системы. Способность частиц противостоять силе тяжести определяет
седиментационную устойчивость, а способность частиц противостоять агрегированию
- агрегативную устойчивость. Эти два типа устойчивости взаимосвязаны, и
нарушение агрегативной устойчивости снижает седиментационную устойчивость
системы, способствуя осаждению частиц. Процесс слипания одинаковых по природе и
заряду поверхности частиц с образованием крупных агрегатов называется
коагуляцией, а агрегация разнородных частиц, отличающихся природой, знаком или
величиной поверхностного заряда, называется гетерокоагуляцией. Для
интенсификации процесса агрегации частиц и достижения разделения фаз дисперсной
системы применяют коагулянты и флокулянты, а также их смеси.
В качестве коагулянтов
используют низкомолекулярные неорганические и органические электролиты. Процесс
гетерокоагуляции применяют, например, при очистке природных и промышленных
сточных вод. Сущность обработки воды неорганическими коагулянтами, такими, как
сернокислый алюминий или хлорное железо, заключается в гидролизе сульфатов и
хлоридов с образованием положительно заряженных золей гидроксидов алюминия и
железа, которые нейтрализуют отрицательно заряженные коллоидные частицы в воде,
что способствует агрегации частиц и вызывает высаждение загрязняющих веществ в
осадок. Дополнительное введение флокулянта после коагулянта содействует
быстрому формированию крупных хлопьев, повышает плотность коагулята и степень
осветления воды.
Подобен гетерокоагуляции
и процесс флокуляции, происходящий при действии на дисперсные системы
высокомолекулярных органических или неорганических соединений. Однако в отличие
от компактных коагулятов, возникающих при действии на дисперсии
низкомолекулярными электролитами, при флокуляции образуются более крупные и
рыхлые агрегаты. Флокуляция является необратимым процессом по сравнению с
коагуляцией, когда возможна дезагрегация (пептизация) осадка при уменьшении
содержания низкомолекулярного электролита в растворе. Согласно представлениям
Ла Мера, макромолекула флокулянта в результате одновременной адсорбции на двух
или нескольких частицах дисперсии связывает их в агрегаты полимерными мостиками
и снижает устойчивость дисперсной системы. Это мостичный механизм флокуляции.
В качестве
высокомолекулярных водорастворимых флокулянтов используют неорганические
полимеры (например, полимерную кремниевую кислоту), природные полимеры
(производные целлюлозы, крахмал и его производные) и синтетические органические
полимеры (полиэтиленоксид, поливиниловый спирт, поливинилпиридины, ПФ). Из
синтетических органических полимеров наиболее часто применяют ПФ. Широкому
распространению ПФ способствовало освоение в 1955 году промышленного
производства акриламида (АА) в США, а в последующие годы и в других странах,
включая Россию. Только в США в 1984 году было произведено 39 тыс.т ПФ, а в 1989
году их производство возросло в 1,4 раза. За тот же период в Японии
производство ПФ возросло в 1,8 раза. Несмотря на значительный рост
производства, увеличивающийся спрос на ПФ как по ассортименту, так и по объему
производства удовлетворяется недостаточно. Так, в 1983 году только для очистки
воды ПФ применяли на более чем 55 водопроводных станциях бывшей РСФСР, было
использовано 200 т ПФ, а потребность в них составляла 400-500 т. В настоящее
время ПФ применяют для очистки питьевой воды, природных и промышленных сточных
вод, разделения, концентрирования и обезвоживания дисперсных систем в угольной,
горнодобывающей, нефтяной, химической, целлюлозно-бумажной, текстильной,
микробиологической и пищевой промышленности. Согласно прогнозам специалистов,
лидирующее положение этой группы флокулянтов с учетом всевозрастающего объема
производства и применения водорастворимых полимеров сохранится, по крайней мере
в обозримом будущем. Это обусловлено их высокой флокулирующей способностью,
доступностью, сравнительно низкой стоимостью и малой токсичностью. В немалой
степени это связано и с успехами в управлении процессами полимеризации и сополимеризации
АА, а также химическими превращениями полиакриламида (ПАА), которые позволили
получить неионогенные, анионные и катионные флокулянты с регулируемыми
значениями молекулярной массы, химического состава и распределения ионогенных
звеньев в макромолекулах. Кроме того, это связано также с результатами
исследований закономерностей флокулирующего действия ПФ на модельных и
промышленных дисперсных системах.
Флокулирующая способность
ПФ в промышленных дисперсных системах зависит от большого числа факторов,
поэтому затруднена оценка влияния отдельных факторов на флокулирующий эффект.
По этой причине возникает необходимость определения флокулирующей активности ПФ
на модельных дисперсных системах, в качестве которых были использованы каолин и
охра. При этом оценка влияния отдельных характеристик системы
флокулянт-дисперсия на флокуляцию проводилась при сохранении неизменными других
характеристик. За меру флокулирующего эффекта принимали показатель флокуляции D
D =
(V - V0) / V0 ,
где V и V0
- соответственно скорости седиментации дисперсии с добавкой флокулянта и без
него.
Чем больше значение
параметра D, тем выше флокулирующий эффект полимерной добавки. Следует отметить
несомненные преимущества использования для оценки флокулирующей способности
полимера относительно параметра D вместо V, поскольку при этом устраняются
эффекты, связанные с несоответствием в показателях частиц дисперсной фазы
(распределение по размерам, степень асимметрии) в различных экспериментальных
сериях.
Эффективность флокуляции
зависит как от характеристик флокулянта (природа и концентрация полимера,
молекулярная масса, химический состав и гидродинамические размеры
макромолекул), так и от характеристик дисперсной системы (концентрация
дисперсной фазы и состав дисперсионной среды). Влияние различных факторов на
флокулирующие показатели ПФ обобщено в работе. Рассмотрим влияние основных
характеристик ПФ и дисперсионных систем на процесс флокуляции.
ВЛИЯНИЕ
КОНЦЕНТРАЦИИ ФЛОКУЛЯНТА
В зависимости от величины
добавки один и тот же полимер может быть как флокулянтом, так и стабилизатором
данной дисперсной системы. В большинстве случаев в присутствии возрастающих
добавок полимеров устойчивость дисперсий сначала снижается, а после достижения
минимума возрастает. Наблюдаемое снижение устойчивости системы (нисходящие
ветви кривых) с ростом концентрации ПАА является следствием усиления агрегации
частиц в результате их связывания макромолекулами и соответствует области
флокуляции. При избытке ПАА происходят структурирование и стабилизация агрегативной
и седиментационной устойчивости дисперсной системы (восходящие ветви кривых).
Обычно дестабилизация системы наблюдается при малых добавках полимера (от
тысячных до миллионных долей от массы твердой фазы), что свидетельствует о
высокой эффективности флокулянтов.
ВЛИЯНИЕ
МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО РАЗМЕРА МАКРОМОЛЕКУЛ ФЛОКУЛЯНТА
Одной из наиболее важных
характеристик флокулянтов, существенно влияющих на седиментационную
устойчивость дисперсных систем, является молекулярная масса (ММ) флокулянта.
Значение ММ у ПФ может варьировать в пределах от десятков тысяч до нескольких
миллионов. Как правило, с увеличением ММ флокулирующая способность ПФ
возрастает, что позволяет снизить дозу полимера. Это обусловлено возможностью
больших макромолекул связывать большее число частиц в крупные хлопья
посредством полимерных мостиков между частицами. Расчеты показывают, что только
двукратное увеличение размеров макромолекул должно вызывать увеличение скорости
флокуляции на один-два порядка. Следовательно, флокулирующая способность
полимера определяется не столько степенью полимеризации, сколько размерами,
занимаемыми макромолекулами в растворенном и адсорбированном состоянии.
Рассчитано, что для эффективной флокуляции суспензий протяженность цепочек
должна составлять 10- 7 м, что соответствует характеристической вязкости
раствора полимера h > 500 см3/г. На суспензиях каолина показано,
что у привитых сополимеров, основная цепь которых построена из звеньев
акриловой кислоты, а боковые цепи состоят из звеньев АА (с равной степенью
полимеризации и одинаковыми функциональными группами, а также с идентичными
адсорбционными свойствами), флокулирующее действие снижается с уменьшением
гидродинамических объемов макромолекул. Установлено, что образцы частично
гидролизованного ПАА (ГПАА) с разветвленными макромолекулами значительно
уступают по флокулирующей активности образцам с линейными макромолекулами,
поскольку имеют меньшие гидродинамические размеры.
На флокулирующую
способность ПФ влияет не только ММ, но и молекулярно-массовое распределение
полимера. В смесях высоко- и низкомолекулярных фракций ГПАА флокулирующая
способность определяется высокомолекулярной фракцией, особенно при малых
добавках полимера. Установлено, что эффективная флокуляция наблюдается при
определенном соотношении в размерах частиц дисперсии и макромолекул, а при
очень большом их различии флокуляция становится невозможной.
Флокулирующая активность
ПФ может уменьшаться в процессе приготовления, хранения и применения их в виде
водных растворов. Это обусловлено не только уменьшением ММ вследствие
деструкции макромолекул, происходящей в результате химических, физических и
микробиологических воздействий, но и увеличением компактности макромолекулярных
клубков в результате внутримолекулярного перераспределения водородных связей.
ВЛИЯНИЕ
ХИМИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ И СОСТАВА МАКРОМОЛЕКУЛ ФЛОКУЛЯНТА
Помимо неионогенного
флокулянта - ПАА успешное применение находят анионные и катионные ПФ, которые
получают сополимеризацией АА с ионогенными мономерами (кислотами, основаниями и
их солями) или полимераналогичными превращениями ПАА и других полимеров.
Анионные ПФ разделяются на слабо- и сильнокислотные, а катионные - на слабо- и
сильноосновные. Примером слабокислотного флокулянта являются сополимеры АА с
акрилатом натрия, а сильнокислотного - сополимеры АА с
2-акриламидо-2-метилпропансульфонатом натрия. Примером слабоосновного
флокулянта являются сополимеры АА с N,N-диэтиламиноэтилметакрилатом, а его
четвертичные соли - примером сильноосновного флокулянта. Степень ионизации
ионогенных групп у сополимеров слабых кислот и оснований сильно зависит от рН
среды. Так, при увеличении рН возрастает степень нейтрализации щелочью
сополимера АА с акриловой кислотой и увеличивается степень диссоциации карбоксильных
групп. Накопление одноименных зарядов в цепи усиливает между ними
электростатические отталкивания, и в результате увеличения размеров
макромолекулярных клубков повышается флокулирующая активность ПФ. При этом
наилучшие флокулирующие свойства достигаются при рН > 7 и 30-40% степени
нейтрализации карбоксильных групп. У сополимеров сильных кислот и оснований
ионогенные группы ионизованы в широкой области рН, поэтому их флокулирующие
свойства мало зависят от рН. Таким образом, в ионизующих средах анионные и
катионные ПФ по сравнению с ПАА (при равной степени полимеризации) имеют
большие гидродинамические размеры макромолекул и поэтому более эффективны как
флокулянты. Сильнокислотные ПФ (сополимеры АА с натриевой солью с
2-акриламидо-2-метилпропансульфокислоты) обладают более высокой флокулирующей
активностью по сравнению со слабокислотными ПФ - сополимерами АА с натриевой
солью акриловой кислоты.
ВЛИЯНИЕ
КОНЦЕНТРАЦИИ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ, НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЛЕЙ И ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ
ВЕЩЕСТВ В ДИСПЕРСНОЙ СИСТЕМЕ
Концентрация твердой фазы
(Сд) в промышленных дисперсиях может изменяться в широких пределах -
от 0,002 до 50 %. На суспензиях охры и каолина показано, что с увеличением Сд
в присутствии ГПАА с различной степенью гидролиза наблюдалось снижение скорости
седиментации частиц. Ослабление флокулирующей способности ГПАА с ростом Сд
вызвано уменьшением размеров и числа агрегатов из макромолекул и связанных ими
частиц дисперсной фазы вследствие уменьшения отношения Сп / Сд
(при фиксированной концентрации полимера Сп).
Большинство дисперсий
являются многокомпонентными системами, которые содержат различные включения, в
том числе низкомолекулярные электролиты и поверхностно-активные вещества (ПАВ).
Эти включения способны влиять на устойчивость дисперсий, а также на
конформационные и адсорбционные свойства макромолекул флокулянтов, что в
совокупности отражается на флокулирующей активности ПФ. Проиллюстрируем влияние
солевых добавок и ПАВ на флокулирующее действие ПФ.
На суспензиях охры и
каолина установлено снижение скорости седиментации частиц в присутствии ГПАА с
увеличением концентрации NaCl по причине уменьшения гидродинамических размеров
макромолекул ГПАА в результате увеличения степени экранирования
карбоксилат-анионов противоионами Na+. Однако обнаруженный эффект
отрицательного влияния низкомолекулярных электролитов на флокуляцию под
действием ГПАА не является общим правилом для всех полимерсодержащих дисперсных
систем. Так, флокулирующая активность ГПАА при концентрировании дрожжей Candida
scotti и клеток E. coli увеличивается при добавлении ионов Al3+. Это
следствие уменьшения агрегативной устойчивости дисперсии в результате
нейтрализации заряда поверхности клеток. Другим примером является введение
низкомолекулярных неорганических солей в дисперсию до ПФ при очистке природных
и сточных вод с целью снижения устойчивости дисперсий, улучшения адсорбции
флокулянта и экономии реагентов.
Для
выяснения технологических свойств барзасских сапромикситов следует установить
возможную степень их обогащения мокрым способом. Они характеризуются высокой
зольностью (до 45 %) и содержат значительное количество гуминовых соединений
(до 35 %), водорастворимая часть которых при мокром обогащении переходит в
сточные воды, окрашивая их. Такие водно-глинистые суспензии плохо отстаиваются
и ухудшают экологическую обстановку при сбросе в гидроотвалы.
Для
проведения лабораторных испытаний были выбраны образцы выветрелых сапромикситов
(плитчатый уголь "рогожка"), со следующими показателями:
Влажность,
% по массе........8,0
Зольность,
% по массе .......23,5
Высшая
теплота
сгорания,
ккал/кг ............4200
Выход
летучих веществ,
% по
массе..................31,2
Содержание
элемента,
% по
массе:
углерода...................82,0
водорода
...................8,3
кислорода
..................5,6
По
внешнему виду сапромикситовый уголь "рогожка" обычно представляет
собой тонкие плитки, легко расслаивающиеся на отдельные листовые слои. Каждый
слой состоит из тесно прилегающих друг к другу лентовидных тел, имеющих
различную ширину в разных образцах угля. В пределах одного куска эти лен-ты
имеют примерно одинаковую ширину. При выветривании лентовидные тела
обосабливаются значительно резче и могут механически откалываться. В связи с
этим определенный интерес представляло исследование возможности мокрого
обогащения барзасского сапромиксита в гидросайзере.
Схема
лабораторной установки с гидросайзером приведена на рис. 1.
Было
установлено, что при загрузке в гидросайзер барзасского сапромиксита
"рогожка" крупностью I - 2 мм с зольностью 23,5 % по массе выход
концентрата в гидросайзере составлял 78 % с зольностью 9,4 % по массе.
Образовавшиеся водно-глинистые суспензии имели крупность до 20 мкм,
характеризовались высокой мутностью, очень медленно отстаивались, что
затрудняло их использование в оборотных циклах технологических процессов без
предварительной обработки флокулянтами.
Известно,
что при осаждении тонкодисперсных глинистых частиц главной проблемой является
низкая скорость седиментации, обусловленная малым размером частиц глины.
В работе [1] показано,
что в случае присутствия в глинистых суспензиях окрашенных водорастворимых
солей гуминовых кислот катионный флокулянт взаимодействует не только с
глинистой частицей, но и со слабым полианионом водорастворимых солей гуминовых
кислот. При использовании высокомолекулярных модифицированных катионных
полиакриламидов
Страницы: 1, 2
|