Применение полиэлектролитов в процессах кондиционирования воды флотацией. 12/2019. Фото 1

Введение

Многочисленные исследования процессов кондиционирования воды с использованием коагулянтов, сорбентов и других препаратов, в результате взаимодействия которых с загрязняющими веществами образуются дисперсии, отмечают, что эффективность их применения во многом зависит от эффективности разделительного процесса [1–3]. При этом важна не только полнота разделения (эффективность очистки воды), но и количество отделённого субстрата.

Во всех процессах кондиционировании природных и сточных вод задачи отделения первичных или вторичных дисперсных примесей можно решать методами флотации [4]. В отличие от других известных процессов гравитационного разделения, флотация обладает рядом преимуществ — высокой скоростью целевого процесса, управляемостью, универсальностью в решении технологических задач, компактностью оборудования [5]. Важно также и то, что среди известных методов отделения дисперсных примесей при кондиционировании природных и сточных вод только флотационные процессы обеспечивают наименьшую влажность и объём отводимых концентратов.

Эффективность флотационного разделения во многом зависит от структурномеханических и адсорбционных свойств флотокомплексов [6]. Условия их формирования и последующего движения во флотационной камере влияют на количество извлекаемых веществ, удерживаемых поверхностью микродисперсии газовой фазы, скорость её движения по направлению разделения, количество и концентрацию образующегося флотошлама. В практике кондиционирования воды нередки случаи, особенно при обработке вод небольшими дозами коагулянта, когда образующиеся флокулы гидроокиси металла имеют непрочную структуру и при малейшем перемешивании раствора, что неизбежно при флотации, измельчаются и не флотируются.

Современные высокомолекулярные соединения (полиэлектролиты) широко представлены на рынке химических препаратов и реагентов для кондиционирования природных и сточных вод. Применительно к процессам флотационного разделения актуальной задачей является правильный подбор вспомогательных препаратов для достижения наилучших результатов целевого процесса [7].

Вещества, предназначенные для стабилизации процесса флотационного разделения, должны соответствовать условиям:

  • обеспечивать достаточную механическую прочность флотокомплексов;
  • увеличивать адсорбцию газа на поверхностях твёрдых частиц;
  • не снижать сорбционных и коагулирующих свойств гидроксидов металла по отношению к извлекаемым веществам; 
  • обладать несложной технологией практического применения.

Цель исследований состояла в определении типа полиэлектролитов для повышения структурно-механических свойств флотокомплексов, содержащих дисперсию гидроксидов металлсодержащего коагулянта. Задачи эксперимента: сравнительная оценка эффективности полиэлектролитов анионного и катионного типов, сопоставление оптимальных значений доз и изучение влияния величины рН на процесс флотационного разделения.

Применение полиэлектролитов в процессах кондиционирования воды флотацией. 12/2019. Фото 2

Основной раздел

Исследования проводились на модели флотационной камеры высотой 0,8 м и сечением 0,01 м², оснащённой системой получения микродисперсии газовой фазы.

Экспериментальная часть выполнена по следующей методике проведения опытов. Водный раствор, содержащий поверхностно-активные вещества (ПАВ), коагулянт и определённую дозу полиэлектролита, перемешивался и помещался во флотационную камеру. В момент начала формирования флокул гидроокиси на две минуты включалась система получения микродисперсии газовой фазы. После её выключения измерялась продолжительность полного отделения флотокомплексов на уровне фиксации 500 мм.

Для изучения были выбраны следующие полиэлектролиты катионного типа: ВА-2, полиэлектролиты на основе полиэтилениминов с молекулярными массами 10 тыс. и 40 тыс. ед. (условные названия ПЭИ-10 и ПЭИ-40), соответственно, и полиэлектролиты анионного типа на основе полиакрилатов: полиакриламид (ПАА) и высокомолекулярный анионный полиэлектролит (условное название Р-700) с молекулярной массой около 1 млн ед.

Для оценки эффективности действия полиэлектролитов на формирование и структуру флотокомплексов принята линейная пятибалльная шкала, основанная на продолжительности разделения дисперсии на уровне фиксации 500 мм (табл. 1).

Применение полиэлектролитов в процессах кондиционирования воды флотацией. 12/2019. Фото 3

Принимая во внимание влияние величины рН на структуру и состав гидроксильного комплекса, образующегося в результате гидролиза солей коагулянта, первоначально было изучено влияние активной реакции среды на эффективность действия полиэлектролитов. Поскольку поверхностно-активные вещества также оказывают влияние на свойства гидроксидов, при проведении опытов в исследуемые растворы вводилось определённое количество ПАВ [8].

Последующие этапы исследований состояли в сопоставлении доз катионных и анионных полиэлектролитов при решении целевой задачи — стабилизации флотокомплексов при соблюдении оптимальных значений рН.

Результаты изучения влияния величины рН на стабилизирующее действие полиэлектролитов приведены в табл. 2.

Применение полиэлектролитов в процессах кондиционирования воды флотацией. 12/2019. Фото 4

По результатам этой серии опытов были установлены значения активной реакции среды, при которых достигаются наилучшие результаты при использовании катионных полиэлектролитов: 

  • рН = 4,0 (ПЭИ-10);
  • рН = 7,0 (ПЭИ-40);
  • рН = 4–10 (ВА-2).

Влияние величины рН на уменьшение эффективности действия анионных полиэлектролитов не установлено.

На втором этапе исследования для выбранных значений рН определены дозы катионных полиэлектролитов с использованием прежнего критерия эффективности. Результаты этих исследований приведены на рис. 1.

Применение полиэлектролитов в процессах кондиционирования воды флотацией. 12/2019. Фото 5

По результатам опытов было установлено, что полиэлектролиты на основе полиэтилениминов принципиально могут быть использованы для стабилизации процесса флотационного разделения. При этом интервал доз, при котором достигаются наилучшие целевые результаты, составляет приблизительно 10–20 мг/л. Катионный флокулянт ВА-2 обладает высокой эффективностью формирования флокул гидроксидов. Однако образующиеся флокулы обладают очень неустойчивой структурой и полностью разрушаются в гидродинамических условиях работающей флотационной камеры. Кроме этого, ВА-2 не увеличивает адсорбцию микродисперсии газа на поверхности твёрдых частиц. По этой причине данный препарат не может быть рекомендован для повышения эффективности процесса флотационного разделения.

Синтетические полиэлектролиты на основе полиэтилениминов достаточно хорошо стабилизируют процесс флотационного отделения гидроксидов, однако эффективные дозы их слишком велики.

Исследования заключительного этапа позволили оценить влияние полиэлектролитов анионного типа на стабилизацию флотокомплексов в процессе флотации при разных дозах железосодержащего коагулянта. Результаты этого этапа представлены в табл. 3.

Применение полиэлектролитов в процессах кондиционирования воды флотацией. 12/2019. Фото 6

Установлено, что значительно более высокой эффективностью по сравнению с катионными полиэлектролитами обладают полиакриламид и анионный полиэлектролит P-700. Оба полиэлектролита оказались малочувствительными к изменению рН среды.

Оптимальная доза полиакриламида составляет 0,4–0,6 мг/л. Характерно, что при её увеличении показатели очистки воды ухудшаются. Это обусловлено изменением физико-химической структуры флокул гидроокиси. Под действием больших доз полиэлектролита они «сминаются», образуя плотные структуры с низкой адсорбцией газовой микродисперсии. Оптимальная доза флокулянта Р-700 существенно ниже и находится в пределах 0,024–0,10 мг/л.

По приведённым результатам видно, что эффективное действие полиэлектролитов сохраняется даже при четырёхкратном увеличении дозы коагулянта.

Кроме исследования доз полиэлектролитов, было изучено влияние их добавки на увеличение вторичной загрязнённости воды по показателю ХПК. Установлено, что значения ХПК для ПАА и Р-700 в области рекомендованных доз лежат за пределами чувствительности метода определения этого показателя. Следовательно, применение данных полиэлектролитов в пределах установленных доз не приводит к вторичному загрязнению воды.

Заключение

Установлено, что полиэлектролиты на основе полиэтилениминов стабилизируют процесс флотационного отделения гидроокисных флотокомплексов. При этом следует учитывать необходимость использования их с большими дозами.

Анионные полиэлектролиты (полиакриламид и его аналоги) полностью удовлетворяют требованиям к реагентам для стабилизации отделения флотокомплексов в процессах реагентной флотации. Рекомендуемые дозы полиакриламида не должны выходить за пределы 0,4–0,6 мг/л. Увеличение или уменьшение доз приводит к резкому снижению эффективности извлечения загрязняющих веществ.

Применение современных, эффективных полиэлектролитов позволяет значительно повысить качество и увеличить скорость разделительных процессов в технологии кондиционирования воды.

В условиях большого выбора и доступности полиэлектролитов следует отдавать предпочтение веществам с высокой эффективностью комплексообразования и биоразлагаемостью.