Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | ||
|
Коагуляция - это слипание частиц при их столкновении в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты - более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления мелких (первичных). Первичные частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей (дисперсионной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и уменьшением их общего числа в объёме дисперсионной среды.
Эффективность очистки сточных вод коагуляцией определяется устойчивостью дисперсной системы, которая зависит от свойств, характеризующих данную систему в целом, а также от свойств дисперсионной среды и дисперсной фазы. Поскольку сточные воды содержат разнородные частицы, отличающиеся химической природой, знаком или величиной поверхностного заряда, то в этих случаях наблюдается гетерокоагуляция. Теория гетерокоагуляции частиц в растворах электролитов была создана Б.В. Дерягиным на базе общего подхода к теории ДЛФО (теория Дерягина-Ландау-Фербея-Овербека), т.е. учета баланса сил молекулярного притяжения и электрических сил отталкивания. Коагуляцию можно вызвать, вводя в сточную воду электролиты, флокулянты и коллоиды - частицы, которые имеют знак электрического заряда, противоположный знаку заряда частиц загрязнений.
Мицеллы гидролизованных коагулянтов коагулируют спонтанно во всём объёме дисперсной системы с образованием агрегатов преимущественно за счет межмолекулярных сил Ван-дер-Ваальса. Взаимодействие мицелл протекает в области быстрой коагуляции, когда все частицы, находящиеся в броуновском движении, при сближении слипаются.
Скорость быстрой коагуляции, по Смолуховскому, является функцией концентрации частиц (Сч), интенсивности броуновского движения, характеризуемого коэффициентом диффузии D, радиусом притяжения частицы R или расстояния l, на которое должны приблизиться центры частиц для того, чтобы произошло слипание.
, (25)
гдеК - константа, характеризующая вероятность сближения частиц;
τ - время.
Интегрируя выражение (25) с граничным условием Сч=Счо при τ=0 и введя время половинной коагуляции θ, получим
, (26)
гдеСчо - начальная численная концентрация частиц.
Учитывая, что
,
получим из формулы (25)
. (27)
По формулам (26) и (27) определим расстояние l
, (28)
гдеr - радиус частиц;
η - динамическая вязкость дисперсионной среды;
K' - константа Больцмана;
T - температура.
Силы притяжения начинают действовать, когда частицы приблизятся на очень малое расстояние и столкнутся. В этом случае энергия молекулярного притяжения мицелл больше теплового, а следовательно, броуновского движения. Из формулы (28) следует, что чем больше размер частицы, тем на большем расстоянии может происходить коагуляция.
Подставив в выражение (27)
,
получим
.
Т.е. скорость быстрой коагуляции находится в прямой зависимости от температуры, расстояния и концентрации частиц и в обратной зависимости от динамической вязкости и радиуса частиц. Принято различать гравитационную и градиентную коагуляции. Гравитационная коагуляция осуществляется в результате инерционных явлений осаждения захватом и подтягиванием частиц. Инерционные силы действуют при прямом столкновении относительно крупных (более 100 нм) полидисперсных частиц. Мелкие частицы чаще осаждаются захватом и подтягиванием по искривлённым траекториям. Градиентная коагуляция характеризуется интенсивным перемешиванием жидкости с целью обеспечения наиболее благоприятных условий для гидролиза коагулянтов, максимальной скорости образования достаточно крупных быстрооседающих хлопьев. Скорость градиентной коагуляции частиц определяется по формуле
,
гдеKг - коэффициент, зависящий от режима движения среды (Kг=4/3 - для ламинарного и Kг=12 - для турбулентного потока);
- отношение сферы действия межмолекулярных сил к размеру частиц; G - средний градиент скорости с-1, определяемый по формуле
,
здесьА - работа, затрачиваемая на перемешивание, Дж;
W - перемешиваемый объём, м3;
t - время перемешивания, с;
h - динамическая вязкость воды, Па×с.
Градиентная коагуляция происходит в поли- и монодисперсных системах при наличии частиц размером более 200 300 нм.
Образовавшиеся в результате гидролиза коагулянтов мицеллы и более крупные шарообразные агрегаты золя (r=10 100 нм) сорбируются на поверхности частиц очищаемой жидкости. При этом происходит нейтрализация заряда частиц, в результате чего они покрываются плотным слоем гидрооксида коагулянта. Т.о. проявляется опалесценция (скрытая фаза коагуляции). Затем наступает период построения цепочных структур и образования большого количества мельчайших хлопьев, которые агрегируют в более крупные и, достигнув определённых размеров, под действием сил тяжести оседают. В действительности эти процессы перекрывают друг друга, а не следуют один за другим.
Процесс коагуляции может быть ускорен при добавлении к коагулянтам флокулянтов - высокомолекулярных веществ. Механизм действия этих веществ в настоящее время мало изучен. Согласно теории Ла Мера, при флокуляции сначала происходит первичная адсорбция и каждая микромолекула прикрепляется несколькими сегментами к одной коллоидной частице. Адсорбированные молекулы занимают часть поверхности (F) частиц (активных центров, на которых возможна адсорбция), а остальная поверхность (1-F) остаётся свободной. Затем в процессе вторичной адсорбции свободные сегменты адсорбированных молекул закрепляются на поверхности других частиц, связывая их полимерными мостиками. С учетом электрического заряда коллоидных частиц и макроионов, а также природы адсорбционных сил, скорость флокуляции может быть выражена уравнением
,
гдеКф - коэффициент, характеризующий условия сближения частиц;
Rф - сфера действия аттракционных сил (расстояние между центрами частиц, при которых происходит флокуляция);
jф - коэффициент, учитывающий суммарные действия возникающие между частицами и молекулами Ван-дер-Вальсовых и Кулоновских сил;
F(1-F) - фактор, определяющий вероятность того, что свободная поверхность одной частицы расположится около макромолекул, адсорбированных на поверхности другой частицы (формально этот фактор указывает на то, что не все возможные столкновения между частицами эффективны и приводят к флокуляции).
Дата публикования: 2015-02-22; Прочитано: 494 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!