Исследование степени осаждения взвесей с использованием нового неорганического коагулянта

ХИМИЯ

У. Ш. Мусина

ИССЛЕДОВАНИЕ СТЕПЕНИ ОСАЖДЕНИЯ ВЗВЕСЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НОВОГО НЕОРГАНИЧЕСКОГО КОАГУЛЯНТА

Приведены результаты исследований по очистке сточных вод с использованием нового коагулянта — сульфатного смешанного алюмо-железо-кремниевого коагулянта из краснооктябрьских бокситов. Определены дисперсионный состав взвешенных веществ в сточных водах, оптимальная доза коагулянта для исследования коагулирующих свойств при осветлении хозбытовой и промышленной сточных вод.

Ключевые слова: коагулянт, боксит краснооктябрьский, очистка воды, осаждение, взвешенные вещества, дисперсный состав.

U. Mussina

A Study of Sedimentation Balance of Suspensions with the Use of a New Inorganic Coagulant

The results of the studies on waste water treatment with the use of a new coagulant — the sulfate mixed aluminum-iron-silicon coagulant from Krasnooktyabrskiy bauxites — have been presented. The dispersion composition of suspended solids in the waste water, the optimum amount of the coagulant to study the coagulating properties in the process of clarification of potable water and industrial waste water have been determined.

Keywords: coagulant, Krasnooktyabrski bauxite, water treatment, sedimentation, suspended solids, dispersed composition.

Одной из основных технологических операций при очистке сточных и природных вод от взвешенных веществ является разделение жидкой и твердой фаз. Возникающие при этом затруднения связаны с дисперсностью частиц и высокой устойчивостью системы. Интенсифицировать этот процесс возможно за счет агрегирования частиц под воздействием коагулянтов и флокулянтов.

В настоящее время в качестве эффективного коагулянта применяется преимущественно сернокислый алюминий, реже — сульфаты железа и смешанные алюможелезистые коагулянты, в качестве флокулянтов чаще используется полиакриламид (ПАА).

Разработан принципиально новый подход получения эффективного коагулянта, обладающего высокими коагулирующими свойствами в широком диапазоне рН, — сульфатного смешанного алюможелезисто-кремниевого коагулянта (ССАЖКК) — при разложении краснооктябрьского боксита серной кислотой с максимальным извлечением алюминия, железа и кремния в пастообразную фазу. В экспериментах использовали краснооктябрьский

боксит химического состава, %: Л120з — 42,89; Fe2O3 — 5,40; FeO — 2,12; SiO2 — 24,73; CaO — 1,54; MgO — 0,60; T1O2 — 1,48; CO2 — 16,15; п.п.п. — 5,09 [1, c. 194].

Как показали расчеты и экспериментальные исследования, максимальное извлечение алюминия, железа и кремния будет происходить при температурах 110-130 0С, с продолжительностью экспозиции 30-50 минут, при концентрации серной кислоты 60 %, дозировке кислоты — 95 % от стехиометрии; Ж:Т = 1,5:1 — 2:1 [1].

Для исследования коагулирующих свойств нового коагулянта-флокулянта была отобрана проба, химический состав которой приведен в табл. 1 в сравнении с регламентируемыми ГОСТ чистыми солями.

Таблица 1

Технические характеристики коагулянта-флокулянта ССАЖКК

Определяемый показатель Содержание, % Содержание показателей неочищенных коагулянтов, %

Алюминий сернокислый технич. неочищ. ГОСТ 5155-74 Сульфат железа (III) ВТУ МХП 3876-53

AI2O3 11,13 9,5 -

Fe2Ü3 3,65 0,5 20

FeO 1,3 - 1,5

<N О 00 7,7 - -

H2SO4 (свободная) 0,83 2,0 0,7

Нерастворимый осадок 7,1 2,2 1,0

Как видно из таблицы, содержание свободной кислоты и нерастворимого осадка в исследуемой пробе коагулянта превышает показатели, регламентируемые ГОСТ для солей железа и алюминия, используемых в водоподготовке.

По данным спектрального полуколичественного анализа содержание микрокомпонентов в коагулянте ССАЖКК находится на уровне фоновых значений (табл.2).

Таблица 2

Спектральный анализ исследуемой пробы ССАЖКК

Элемент N Co Mo Ni Pb Se Ti Zn

Содержание, % 0,0045 0,031 0,00051 0,011 0,00081 0,001 0,4 0,01

Cu Cr Cd As Sb Te U Th

0,0005 0,0008 0,01 0,01 0,01 0,01 0,0002 0,0002

Суммарная а-активность пробы ССАЖКК по данным радиохимического анализа — 6,51 -10 Ки/г. Продукт не радиоактивен.

Коагулирующие свойства ССАЖКК оценивались на основе сравнительных испытаний очистки сточных вод с использованием стандартных коагулянтов: сернокислого алюминия (А12(804)з 18Н20, ГОСТ 5155-74), сульфата железа (Бе804-7Н20, ГОСТ 698175) и хлорида железа (БеС13, ГОСТ 11159-65) по способности реагента:

- ускорять процесс механического осветления сточных вод;

- попутно удалять из очищаемой воды вредные катионы и анионы.

Исследовалось три типа сточных вод:

1) промышленная сточная вода химического производства (проба 1);

2) сточная вода после очистных сооружений (проба 2);

3) хозбытовая сточная вода, содержащая в своем составе, помимо взвешенных веществ и органики, также тяжелые металлы (проба 3).

Осветляемость сточных вод определялась методом отстаивания. В результате исследований в пробах на протяжении всего процесса отстаивания отсутствовала четкая граница раздела осветленного слоя воды и осадка.

Для проведения процесса осветления экспериментальным путем подбиралась оптимальная доза коагулянта. Исследуемой водой заполняли цилиндры емкостью 0,25 л и добавляли различные количества реагентов-коагулянтов с концентрацией растворов 1 % по техническому веществу.

В течение первых 15-20 с быстрым перемешиванием смешивали воду с коагулянтом, в течение последующих 3-5 мин проба перемешивалась медленно. Через 30 мин после контакта коагулянта с водой отбирали пробу с верхнего слоя воды на глубине 100 мм и определяли концентрацию взвешенных веществ.

Оптимальной считалась доза коагулянта, при которой содержание взвешенных веществ в верхнем слое исследуемой воды после 30 минутного отстаивания было минимальным.

Важную роль в технологии обработки вод играет не только суммарное количество взвешенных веществ, но и их дисперсионный состав.

Результаты исследования дисперсионного состава взвешенных веществ в промышленных сточных водах сведены в табл. 3.

По распределению частиц по классам крупности можно судить о способности сточных вод к самоосветлению.

Таблица3

Дисперсионный состав взвешенных веществ

Взвешенные вещества Размер частиц, мкм Гидравлическая крупность, мм/с Время осаждения, ч Выход частиц, %

проба № 1 проба № 2 проба № 3

Мелкий ил 10-7 0,056 10-30 48,3 40,14 55,16

7-5 0,028 1 8,65 28,66 39,17

5-4 0,014 2 0,98 3,71 0,75

4-3 0,009 3 0,98 7,12 0,52

Крупная 3-2 0,007 4 0,98 7,12 1,36

Глина 2-1 0,006 5 0,98 0,63 1,36

Мелкая 1-0,5 0,001 24 3,27 3,07 1,36

Глина 0,5-0,1 0,0007 40 36,76 9,55 0,32

ИТОГО 100,00 100,00 100,00

В табл. 4 и на рис. 1-3 представлены результаты изучения влияния продолжительности на степень осветления промышленной сточной воды без очистки, промышленной после очистных сооружений и хозяйственно-бытовой сточной воды без введения коагулянта.

Проба № 1 (промсток до очистных сооружений) содержит, в большинстве своем, взвешенные частицы крупностью 10-5 мкм. За 3 ч осветление воды происходит на 78,981%. Через 24 часа пробы осветляются на 84-97% (рис. 1).

Проба № 2 (после очистных сооружений), представленная на 57,86% частицами крупностью 10-5 мкм и на 36,76% частицами крупностью 0,5 мкм, осветляется за первые 30 мин на 50,2%, после чего происходит снижение скорости осветления (рис. 2) и за 24 ч отстаивания осаждение взвесей происходит на 62,53%.

Таблица 3

Дисперсионный состав взвешенных веществ

Взвешенные вещества Размер частиц, мкм Гидравлическая крупность, мм/с Время осаждения, ч Выход частиц, %

проба № 1 проба № 2 проба № 3

Мелкий ил 10-7 0,056 10-30 48,3 40,14 55,16

7-5 0,028 1 8,65 28,66 39,17

5-4 0,014 2 0,98 3,71 0,75

4- 0,009 3 0,98 7,12 0,52

Крупная фракция 3-2 0,007 4 0,98 7,12 1,36

Глина 2-1 0,006 5 0,98 0,63 1,36

Мелкая фракция 1-0,5 0,001 24 3,27 3,07 1,36

Глина 0,5-0,1 0,0007 40 36,76 9,55 0,32

ИТОГО 100,00 100,00 100,00

Таблица 4

Степень осаждения взвесей из сточной воды без коагулянта

Проба Степень осаждения взвесей, %

Время отстаивания, т, ч

0,5 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 24

Промышленная сточная вода 40,36 68,25 73,45 78,96 79,57 81,61 83,19

Промышленная сточная вода после очистных сооружений 50,2 57,86 58,62 58,62 58,62 58,62 62,53

Хозбытовая сточная вода 56,4 94,46 95,23 95,68 96,99 96,99 97,00

Продолжительность осветления. ч

♦ — самоосветление;  — РеБ04-7Н20; - РеС13; х — ССАЖКК; *— Л12

Продолжительность осветления, ч

♦ — самоосветление;  — РеБ04-7Н20; - РеС13; х — ССАЖКК; *— Л12

На рис. 3 показано, что хозбытовая сточная вода (проба 3) имеет взвешенные вещества, на 94,46% представленные частицами крупностью от 5 мкм и выше. Стоки осветляются практически за 1 ч до 94,46%. Осветление воды за 24 ч составляет 97,0%.

Продолжительность осветления,

♦ — самоосветление;  — РеБ04-7Н20;  — РеС13; х — ССАЖКК; * — Л12

В табл. 5 и рис. 4 показаны концентрации взвешенных веществ в воде при различных дозах коагулянтов (время отстаивания — 30 мин).

Таблица 5

Концентрация взвешенных веществ (ВВ) в воде при различных дозах коагулянтов

Номер пробы рН сре- ды Сисх. ВВ, мг/дм3 Концентрация взвешенных веществ (С), мг/дм3

Расход реагентов, мг/дм3

РеБ04-7Н20 РеС13

5 10 15 20 30 40 5 10 15 20 30 40

1 8,67 315,6 94 93 87 89 89 87 62 58 55 56 54 49

2 7,21 106,8 51 42 35 37 46 67 58 60 61 57 57 40

3 7,53 78,6 48 58 60 68 90 106 5Д 4,6 4,3 4,6 4,7 4,5

80 -

і

и

« 60 -

и

V

со

го Л

со 40 -

05

К —

п. 20 н

н

к

О)

я

ас

о

0

і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Расход реагентов, мг/дм3 ♦- 1-Ре804-7Н20; - 2-РеБ04-7Н20; А-3-Ре804-7Н20; х -1-РеС13; * -2-РеС13; ^-3-РеС13; 1, 2, 3 — номера проб воды Рис. 4. Влияние расхода реагентов на концентрацию взвешенных частиц

Как видно из рис. 4, в пробе № 1 (промсток до очистных сооружений) наилучшую активность показал хлорид железа — например, при дозировке 15 мг/дм3 степень осаждения составила 82,6%, а железный купорос при этой же дозировке — 72,6%.

В пробе № 2 (после очистных сооружений) наилучшая коагулирующая активность наблюдается при внесении железного купороса с оптимальной дозировкой 15 мг/дм3 — степень осаждения 67,2%, при введении 15 мг/дм3 хлорида железа — 42,9%

В пробе № 3 (хозбытовая сточная вода) активен хлорид железа — при введении 15 мг/дм3 степень осаждения 94,5% и всего 23,7% — при введении этого же количества железного купороса.

В табл. 6 и на рис. 5 представлены результаты химического анализа сточных вод до и после коагуляции коагулянтом ССАЖКК в сравнении с сульфатом алюминия.

Таблица 6

Концентрация взвешенных веществ в воде при различных дозах коагулянтов

Номер пробы рН сре- ды Сисх. ВВ;. мг/дм3 Концентрация взвешенных веществ, мг/дм3

Расход реагентов, мг/дм3

ССАЖКК Л12(804)3-18Н20

10 15 20 30 40 5 10 15 20 30 40

1 8,67 315,6 80 68 63 57 58 57 89 77 76 61 59 57

2 7,21 106,8 53 52 52 54 55 50 66 66 61 52 44 45

3 7,53 78,6 5,0 3,9 3,5 3,2 2,3 2,2 3,7 3,4 3,2 3,0 2,4 1,93

100

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Расход реагентов, мг/дм

♦ 1-ССАЖКК;  2-ССАЖКК; А3-ССАЖКК; х 1-Л12(804)3-18Н20;

*2-Л12(Б04)3-18Н20; • 3-Л12(Б04)3-18Н20; 1, 2, 3 — номера проб воды

Рис. 5. Влияние расхода реагентов на концентрацию взвешенных частиц

Как видно из табл. 5, 6 и рис. 4, 5 по мере увеличения дозировки коагулянта в сточные воды (пробы 1, 2, 3) остаточные концентрации взвешенных частиц заметно снижаются. Коагулянт ССАЖКК при меньших дозировках работает лучше Ре804-7И20 и БеС13 и не уступает традиционному сульфату алюминия Л12(Б04)3.

В табл. 7 приведена оптимальная доза коагулянтов для проб исследуемых сточных

вод.

Таблица 7

Оптимальные расходы коагулянтов для очистки сточных вод

Номер проб сточных вод Расход коагулянтов, мг/дм

Бе БО4- 7 Н2О БеСІ3 ССАЖКК ЛІ2(8О4)3 -18Н2О

1 — промсток до очистных сооружений 15 40 40 40

2 — промсток после очистных сооружений 5 40 20 30

3 — хозбытовая СВ 15 15 30 30

По результатам химанализа сточных вод (табл. 8, 9, 10) видно, что применение ССАЖКК не только осветляет воду от взвесей, но также снижает общую минерализацию, карбонатную жесткость, натрий-калиевое засоление.

Исследования показали, что сульфат алюминия, сульфат железа, хлорное железо, ССАЖКК ускоряют процесс осаждаемости не только взвесей, но и химической очистки воды от примесей (2и, Лб, РЬ, Си, БЬ и др.).

Анализ полученных данных показывает, что коагулянт ССАЖКК при правильно подобранной дозе не уступает по коагулирующим свойствам сульфату алюминия. Так, при дозе 40-30 мг/дм3 степень осаждения взвесей составляет 98%, при использовании Л12(804)3 18Н2О — максимально 89%.

Расход коагулянта О, мг/дм3 Взвеси, мг 1дм3 pH Катионы, мг / дм3 мг - же / дм3 Анионы, мг / дм3 мг - же / дм3 Жобщ сух.ост. Ь мг - же / дм3 мг1 дм3 Вредные вещества, мг/дм

№ + К+ Са мё2+ СГ БО/' С03А НСО'з Бе А1 Си Мо Ай Ъа

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Исходная вода без коагулянта 315,6 8,67 430 18,7 67 3,5 26 2Д 276 7,7 96 2,0 892 14,3 5,5 1092 0,10 0,022 0,20 0,02 0,0103 0,002

Коагулянт ССАЖКК, 0 = 20 57 7,52 457 19,8 72 3,6 23 2,0 290 8,0 120 2,5 65 1Д 836 13,7 5,6 1145 0,32 0,32 0,01 0,02 ^ 0,008 0,002

Коагулянт А12(804)3-18Н20, Б = 30 59 7,47 445 19,2 64 зд 23 2,0 273 1,1 140 3,0 82 1,2 759 12,5 5,2 1070 0,13 0,60 0,011 0,021 0,002

Расход коагулянта Б, мг/дм3 Взвеси pH мг / дм3 Катионы, мг / дм мг — же/ дм Анионы, мг / дм3 мг - же / дм3 жобщ 9 сухюст. мг — же / дм3 мг / дм Вредные вещества, мг/дм3

Ыа++К+ Са м?+ С1‘ 80/' НСО'з Ре А1 Си Мо Аэ гп

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Исходная вода без коагулянта 106,8 7,21 167 7,1 64 3,2 16 1,5 269 7,5 117 2,5 >110 1,8 45 А 976 0,04 0,04 0,052 0,012 0,094 0,006

Коагулянт Ре804-7Н20; В = 5 51,0 7,3 158 6,8 63 3,2 23 1,8 271 7,5 123 2,5 110 1,7 5,2 1025 0,11 0,02 0,033 0,02 0,08 0,07

Коагулянт ИеСЬ; Б = 40 40,0 7,15 158 6,8 61,0 зд 23 1,8 280 7,9 127 2,6 78 1,2 5,1 1006 0,006 0,04 0,034 0,005 0,08 0,06

Коагулянт ССАЖКК; В = 20 53,0 7,3 157 6,8 64 3,2 21 1,7 272 7,7 129 2,7 92 1,5 5,0 1015 0,006 0,03 0,025 0,010 0,06

А12(804)3-18 Н20; 0 = 30 44,0 7,30 156 6,8 65 3,2 22 1,8 270 7,6 92 1,5 5,0 1012 0,004 0,06 0,031 0,002 0,098 0,05

Исследование степени осаждения взвесей с использованием нового неорганического коагулянта

оо

ю

Расход Взвеси Катионы, Анионы 9 >кобщ Вредные вещества,

коагулянта Б, мг/дм pH мг / дм мг / дм3 сух.ост. мг/дм

мг / дм3 мг - же / дм3 мг - же / дм3

№++К+ Са Щ2 С1‘ ЭО/' НСО'з / V О / (Уа/К лгг / Элг3 Ре А1 Си Мо Аэ

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Исходная вода 78,6 408 65 32 407 311 340 5,6 0,02 0,035 0,01 0,031 0,083

без коагулянта 7,53 17^9 3,2 2,6 11,4 6,6 5,4 1386

Коагулянт 48,0 397 65 39 410 320 327 6,2 0,018 0,039 0,01 - -

Ре804-7Н20; О = 5 7,75 17,1 3,3 3,0 11,4 6,6 5,1 1393

Коагулянт 4,3 395 64 38 413 306 342 6,2 - 0,05 0,01 0,01 0,02

Р еС1з, В = 40 7,59 17,1 3,2 3,2 11,6 6,5 5,6 1389

Коагулянт 3,2 418 66 39 425 341 352 6,5 - 0,021 0,01 - 0,09

ССАЖКК; В = 20 7,61 18,3 3,4 3,2 12,0 7Д 5,7 1316

Коагулянт 2,4 403 66 39 414 328 352 6,5 - - 0,01 0,007 0,067

А12(804)3-18Н20; 0 = 30 7,52 17,3 3,4 3,3 07 6,9 5,7 1371

Выводы

1. Коагулянт нового поколения ССАЖКК обладает коагулирующими способностями, работает при осветлении сточных вод, значительно ускоряя процесс осветления и не уступая по качеству очистки товарным коагулянтам (сульфату алюминия, хлорному железу).

2. Коагулянт обладает способностью умягчать воду, снижать карбонатную жесткость, натрий-калиевое засоление, обладает способностью к химической очистке воды от тяжелых и вредных элементов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Исследование процесса выщелачивания бокситов серной кислотой с использованием метода планирования многофакторного эксперимента/ С. С. Нуркеев, У. Ш. Мусина, Л.С. Курбанова. Шестая Международная научно-техническая конференция «Новое в охране труда, защите от чрезвычайных ситуаций, экологии и валеологии». Алматы: КазНТУ. 2004. С. 194-198.

REFERENCES

1. Issledovanie protscessa vyshchelachivanija boksitov semoj kislotoj s ispol'zovaniem metoda planiro-vanija mnogofaktornogo eksperimenta / S. S. Nurkeev, U. Sh. Musina, L. S. Kurbanova. Shestaja mezhdu-narodnaja nauchno-tehnicheskaja konferentsija «Novoe v ohrane truda, zashchite ot chrezvychajnyh situatsij, ekologii i valeologii». Almaty: KazNTU. 2004. S. 194-198.

Т. Н. Пояркова, Г. В. Кудрина, О. Г. Андросова,

А. А. Зайцев, Ю. И. Прокофьев

ВОЗДЕЙСТВИЕ ФАКТОРОВ РАЗЛИЧНОЙ ПРИРОДЫ НА ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ СВОЙСТВА СОАПСТОКА И ЕГО КОМПОНЕНТОВ

Целью работы являлось изучение влияния различных факторов на изменение жирнокислотного состава соапстока для подбора оптимальных условий, при которых содержание непредельных кислот в соапстоке станет минимальным, а получившиеся мыла будут обладать лучшими свойствами. Работа была выполнена в три этапа: 1) выяснение влияния неорганических электролитов и неионогенных ПАВ на устойчивость эмульсии соапстока для выделения из нее жировой составляющей; 2) выяснение влияния температуры, рН и времени щелочного гидролиза на изменение жирнокислотного состава соапстока; 3) изучение физико-химических свойств монослоев, образованных линолевой кислотой, как пример систем, моделирующих монослои соапстока.

Ключевые слова: поверхностно-активные свойства, жирнокислотный состав, соапсток, неорганические электролиты, неионогенные ПАВ, линолевая кислота, эмульсии, монослои, пленки Ленгмюра — Блоджетта.

T. Poyarkova, G Kudrin, O. Androsov,

A. Zaitsev, Yu. Prokofiev

Surfactant Properties of Soap Stock and its Components

The aim of this work was to study the effect of different factors on the fatty acid composition of soapstock to select the optimal conditions under which the content of unsaturated acids in the soap stock becomes minimal, and the resulting soap will have bet-