Обработка воды оксихлоридом алюминия

ОАО « Невинномысский Азот»
РЕФЕРАТ
Обработка воды оксихлоридом алюминия
Невинномысск, 2003
Заместитель начальника ЦОТК
по аналитическому и технологическому контролю,
Т.В.Качик
начальник ЦОТК, С.Н.Башта
Содержание:
1. Введение
2. Преимущества нового реагента
3. Характер примесей обрабатываемой воды. Строение коллоидной частицы
4. Требования к качеству воды, применяемой на ОАО «Невинномысский Азот»
5. Коагулирование
6. Анализ поведения различных реагентов (электролитов) при добавлении их в воду
7. Новые методы очистки
8. Выводы
9. Литература
1. Введение
Ухудшение качества воды поверхностных источников приводит к проблемам на очистных
сооружениях и заставляет технологов водоподготовки тщательно анализировать работу
сооружений, чтобы прийти к желаемому результату.
Природная вода содержит некоторое количество растворенных и взвешенных веществ
органического и минерального происхождения. Эти вещества попадают в воду из атмосферы при
выпадении осадков, из почв и грунтов с которыми соприкасается вода. По происхождению
различают атмосферные воды, подземные воды и поверхностные воды.
Водоочистные комплексы на донских, кубанских водоводах, предусматривающие, как
правило, коагуляцию поверхностных вод сернокислым алюминием, отстаивание, фильтрование и
обеззараживание хлором, не только не могут быть барьером для задержания примесей,
находящихся в растворенном состоянии, но и в целом ряде случаев неудовлетворительно
справляются с удалением из воды коллоидных и взвешенных веществ. Последнее обстоятельство
связано с нарушением режимов технологии коагуляционной обработки. Нарушение технологии
приводит к повышенному содержанию остаточного алюминия, как в осветленной воде, так и
питьевой. Коагуляция сернокислым алюминием показывает, что концентрация остаточного
алюминия в осветленной воде в основном колеблется от 0.3 мг/дм3 до 1.5 мг/дм3, что естественно
сказывается на работе водооборотных циклов.
2. Преимущества нового реагента.
Технологи предприятия рассмотрели возможность применения оксихлорида алюминия как
наиболее эффективного коагулянта для обработки мало минерализованных вод.
Оксихлорид алюминия основная соль с основностью 5/6. Наличие гидроксильных групп
способствует полному протеканию реакции гидролиза при малых дозировках соли (до 10 мг/дм3
ПО Аl2О3)
1 мг Al(S04)3 содержит 0.158 мг A1.
1 мг Al(0Н)5CI содержит 0.34 мг А1.
Технология обработки воды основана на гидролизе соли алюминия, происходящем в
камере хлопьеобразования с образованием
2 Al 2 ( S O 4 ) 3 + 1 2 H 2 O=4 Al(OH) 3 + 6 H 2 SO 4
2 Al2(OH)5Cl+2 H2O=4 Аl(OH)3+2 HCl
Расход (соли) коагулянта оксихлорида при обработке воды меньше чем сернокислого
алюминия в два раза. В действительности же расход оксихлорида алюминия будет еще меньше,
так как при обработке сульфатом алюминия часть положительно заряженных сорбционных
центров занята ионами SО4, при оксихлориде алюминия этого нет. В связи с уменьшением дозы
коагулянта увеличивается степень его гидролиза.
β=√KwC*Ko
и улучшается качество обрабатываемой воды.
При использовании сернокислого алюминия состав воды меняется в следующем порядке:
pН = рК1+lgf1+lgЩ/СО2
При гидролизе сернокислого алюминия образуются ионы водорода, замедляющие реакцию.
Чтобы ее восстановить повышают рН добавлением извести. При этом
Происходит увеличение кальция, жесткости, сульфатов, общего солесодержания,
углекислоты, уменьшение щелочности. Все эти показатели увеличивают агрессивность воды по
отношению к карбонату кальция. Остаточный алюминий в воде колеблется в вышеуказанных
пределах. Мутность колеблется от 5 до 12 мг/дм3 (зимний период). При применении оксихлорида
алюминия состав воды меняется следующим образом:
рН=-lg(10-рНисх*Щисх+Д/102*4*10-7)/(Щисх-Д/102)
pН меняется незначительно на 0,2 – 0,3 единиц (при дозировках до 10 мг/дм3 по Аl2О3).
Cl после обработки=Clисходной воды+0,2*Дкоагулянта;
Так как 1 мг Al2(ОН)5Cl содержит 0,19 мг Cl.
Изменением щелочности, углекислоты, солесодержанием можно пренебречь при
дозировках до 10 мг/дм3 по Аl2О3 оксихлорида алюминия. Остаточный алюминий в воде следы 0.02 мг/дм3. Мутность обработанной воды не превышает 4 мг/дм3 (зимний период) Использование
оксихлорида алюминия снижает объем осадка в отстойниках
Wосадка = М+ Дкоагулянта* 156/Мгха + 0.25 Ц
Уменьшается нагрузка на ионообменные смолы. Увеличивается пробег фильтров,
снижается расход реагентов на регенерации.
При качественной промышленной воде отпадает целесообразность в предочистке ПЛУ-2.
Для достижения максимального экономического эффекта работы очистных сооружений
целесообразно использовать гибкий режим обработки воды: в летний период Al2(SO)4 , а в зимний
Аl(0H)5CI. Так как в летний период времени в нашем регионе вода, поступающая на обработку
мало минерализована и ионной силы оксихлорида алюминия недостаточно дестабилизировать
дисперсную систему.
3. Характер примесей обрабатываемой воды.
Строение коллоидной частицы
По количеству и характеру примесей воды подразделяют на пресные, соленые, мягкие,
жесткие, прозрачные, бесцветные, мутные, окрашенные и т. д.
По принципу использования воды делят на питьевые, хозяйственные, технические,
охлаждающие, лечебные и т. д.
Воды поверхностных источников это своего рода сложная дисперсная среда с различной
дисперсной фазой в разные периоды года. В зависимости от размера частиц примеси
подразделяются на крупнодисперсные и мелкодисперсные. Одним из показателей
характеризующих примеси в воде называется мутность.
Наиболее распространенная группа примесей - это крупнодисперсные с размером частиц
от 10-3 до 10-5 см. Примеси крупнодисперсные видимые вооруженным глазом не вызывают
проблем при очистке, под воздействием собственной силы тяжести они оседают на дно. Поэтому
не зря при сильных паводках, воду предварительно отстаивают, а далее обрабатывают.
Коллоидно-растворенные примеси или мелкодисперсные с размером частиц от 10-5 до 10-6 см
очень трудно удаляются из воды. Отстаиванием они не удаляются, для их удаления требуется
специальная обработка.
Коллоиды гетерогенные системы, состоящие, по крайней мере, из двух фаз. Этим они
отличаются от истинных растворов, которые представляют собой однофазные, гомогенные
системы. Коллоидные частицы золей находятся в непрерывном движении. Интенсивность
движения быстро уменьшается по мере увеличения размеров частиц. 11епрерывное движение
препятствует оседанию частиц и является одной из причин устойчивости частиц. Коллоидная
частица представляет собой ядро, адсорбционный слой и диффузионный слой. Обычно ядро - это
микрокристалл или агрегат из микрокристаллов. Поверхность ядра за счет свободной, межфазной
энергии адсорбирует из окружающей среды ионы в соответствии с правилом Фаянса. Правило
Фаянса: на поверхности ядра мицеллы адсорбируются преимущественно те ионы, которые
имеют с ядром общие химические элементы. Эти ионы называются потенциалобразующими, так
как сообщают частице определенный заряд. Противоионы испытывают на себе две силы:
электростатическую, притягивающую их к ядру коллоидной частицы, и диффузионную,
стремящуюся рассеять их по раствор. В результате совместного действия указанных сил
сцепления преобладают нал силами электростатического отталкивания и частицы начинают
слипаться в более крупные агрегаты.
Толщина диффузионной части двойного электрического слоя коллоидных частиц
уменьшается согласно уравнению
D=6.33*10 -14√(e*Т)/J –d, где
e -диэлектрическая постоянная дисперсионной среды.
1 - ионная сила раствора.
Т- температура.
d - толщина плотной части двойного электрического слоя частиц.
Таким образом, с увеличением ионной силы раствора мы уменьшаем толщину
диффузионного слоя и заставляем частицы слипаться и выпадать в осадок. Ионные силы
растворов применяемых коагулянтов рассчитываются по формуле:
J=0.5 ∑Ci*Zi
Для сернокислого железа и алюминия, ионные силы растворов одинаковы
J= 15 С A l 2 ( S O 4 ) 3 Fe2(S04)3
Для оксихлорида алюминия
J= 1 2 СAl2(OH)5Cl
Следовательно, наибольшей ионной силой в растворе обладают соли трехвалентных ионов,
и она будет увеличиваться при повышении концентрации раствора.
В процессе гидролиза коагулянтов образуются гидроокиси железа и алюминия.
Растворимость которых составляет ПРAl(OH)3=1.9*10-33, П P Fe(OH)3=3,8*10-38
Минимальная концентрация электролита, добавляемого к коллоидному раствору, при
которой начинается коагуляция с данной скоростью, называется порогом коагуляции.
Ск=A/Z6.
где Z - заряд иона.
А - постоянная величина.
Порог коагуляции зависит от многих факторов:
⎯ одним из них влияние валентности коагулирующих ионов (чем больше валентность
коагулирующих ионов, тем больше их коагулирующая сила, или тем меньше порог
коагуляции) Для Fе3+ и A13+ одинаковый порог коагуляции.
⎯ влияние степени сольватации и поляризуемости коагулирующих ионов. Чем
меньше радиус иона, тем больше напряженность его электрического поля, тем больше
полярных молекул растворителя (воды) связывается с этим ионом, образуя громоздкий
сольват (гидрат). Ионы, одетые в толстые сольватные шубы малоподвижны и с
большим трудом проникают в двойной электрический слой коллоидных частиц, в
результате чего они имеют низкую коагулирующую способность. Максимальная
напряженность электрического поля имеет А13+ (у него радиус иона меньше чем у Fe3+)
тем самым больше полярных молекул H2O связывается с этим ионом и снижается его
подвижность.
⎯ влияние рН среды. Поверхностные молекулы ядер мицелл различных коллоидных
систем могут обладать кислотными, основными, амфотерными свойствами в
зависимости от pН среды идет изменение и порога коагуляции.
Для ядер мицелл с основными свойствами порог коагуляции будет больше, чем меньше pН
среды и наоборот
F е ( О H ) 3 = Fе3+ + 3 ОНВлияние pН среды на порог коагуляции ядер мицелл с амфотерными свойствами зависит от
того, какая функция (кислотная или основная) выражена в большей мере.
А1(ОН)3=А13+ + 3ОНА1(ОН)3= AlО2- + 2 Н2О
Из вышеописанною наиболее эффективным является железо трехвалентное, но так как
плотность гидроокиси железа больше чем плотность гидроокиси алюминия (d F е ( О H ) 3 =3.6)
состояние отдельных анионов неодинаково. Часть из них прочно связана с ядром коллоидной
частицы, образуя на нем плотный адсорбционный слой (n-х). Другая часть образует диффузный
слой х - ионную атмосферу частицы. Совокупность диффузного и адсорбционного слоев
представляет собой двойной электрический слой. На границе подвижного (диффузионного) и
неподвижного (адсорбционного) слоев возникает разность потенциалов, которую называют
электрокинетическим потенциалом (дзета-потенциал) Выбор методов очистки воды от
имеющихся примесей определяется требованиями, предъявляемыми к воде, и ее качеством.
4. Требования к качеству воды,
применяемой на ОАО «Невинномысский Азот»
Вода, подаваемая на очистные сооружения ОАО «Азот», в количестве 96000 м3/сут - средней
жесткости (до 3 ммоль/дм3), малоцветная (до 10 градусов, в паводок до 25 градусов) и маломутная
(7 месяцев в году имеет мутность с 17 мг/дм3 до 30 мг/дм3 в остальные периоды года до 110
мг/дм3 , в паводковый период она повышается до нескольких сотен или тысяч мг/дм3).
Пригодна ли вода, указанная выше для бытовых и технических нужд?
Нет ли в ней веществ вызывающих коррозию металла и бетона, веществ, приводящих к
образованию отложений.
Для нужд предприятия необходима вода различного качества. Это промышленная вода с
мутностью не более 50 мг/дм3 в количестве 96000 м3/сут, питьевая вода с мутностью не более 1.5
мг/дм3 в количестве 10000 м3/сут., оборотная вода с мутностью не более 50 мг/дм3 в количестве
38400 м3/сут.
5. Коагулирование
Для получения воды требуемого качества необходимо ее обработать, так как в ней имеются
все вышеперечисленные примеси. На предприятии применяется коагулирование. Коагулирование это обработка воды реагентом, приводящая к укрупнению частиц с целью ускорения их
осаждения.
Природные воды загрязнены гуминовыми веществами, глиной кремневой кислотой и др.
Частички всех этих веществ несут на себе отрицательный заряд, обуславливающий кинетическую
устойчивость системы. Для ускорения процесса отстаивания вод необходимо дестабилизировать
коллоидную систему. Это достигается за счет применения коагулянтов (электролитов), а также с
помощью гидродинамических условий для сближения и столкновения частиц взвешенных
веществ. Использование в технологии водообработки коагулянтов даст возможность осуществить
( и л и ускорить) процесс отделения дисперсной фазы от дисперсионной среды. Тем не менее, для
получения максимальной степени очистки воды необходимо учитывать в каждом конкретном
случае особенности природных вод и в соответствии с этим применять тот или иной реагент.
Кроме того, необходимо знать поведение того или иного реагента при введении в воду и
преимущество каждого.
6. Анализ поведения различных реагентов (электролитов)
при добавлении их в воду
На практике для очистки воды в основном применяются: сернокислое железо, сернокислый
алюминий и в последние годы оксихлорид алюминия. По сути дела они являются электролитами.
Электролит, добавленный к коллоидному раствору, вызывает сжатие диффузионной части
коллоидных частиц. С уменьшением же толщины диффузионной части двойного электрического
слоя дзета-потенцил уменьшается, что способствует сближению коллоидных частиц при
столкновении, силы молекулярного (dAl(OH)3=2.4) выпадение гидроокиси железа протекает быстрее
и длительное время в толще воды остается много мелких хлопьев, что ухудшает качество воды.
Выпадение гидроокиси алюминия идет равномерно, в чем его несомненное преимущество.
7. Новые методы очистки
Применяемые в стране методы очистки природных вод, используемых для питьевого
промышленного водоснабжения: отстаивание, коагуляция, фильтрование, хлорирование и
озонирование - разработаны в те годы, когда поверхностные водные объекты были еще
достаточно чистыми. Известно, что в последние годы водные объекты во всевозрастающей мере
подвергаются антропогенному воздействию, в результате которого происходит интенсивное
загрязнение воды тяжелыми металлами, пестицидами, биогенными элементами, фенолами,
хлорорганическими соединениями и другими веществами. Используемые же методы обработки и
применяемые технологические процессы уже не в состоянии обеспечить требуемое качество воды.
Поэтому научно исследовательскими организациями страны, разрабатываются новые
технологические процессы, сооружения и аппараты. Высокомолекулярные флокулянты, новые
фильтрационные материалы, двухслойные угольно-песчаные фильтры; установки бактерицидного
облучения, смесители, камеры хлопьеобразования. тонкослойные блоки. флотаторы - фильтры,
мембранные установки. Разработаны новые процессы, сооружения, основанные на новых
принципах очистки воды и способные извлекать из них все загрязняющие вещества с
использованием биологических методов, биосорбции сорбентов, сильных окислителей. Все эти
технологии глубокой очистки воды капиталоемкие, поэтому мы шли в направлении поиска
наиболее эффективного реагента, при использовании которого минимум затрат.
8. Выводы
На основе теоретических выводов и лабораторных исследований проведены
промышленные испытания очистки воды оксихлоридом алюминия в разный период
года: зимой, весной, летом.
Все теоретические выкладки подтверждаются на практике. Гидролиз данной
соли идет полнее, чем гидролиз соли сернокислого алюминия. Осветление воды
происходит лучше (особенно в зимний период года). Нет необходимости вести
процесс коагуляции по изменению среды ( p Н ) . Отсутствует известкование. Так как
оксихлорид алюминия приходит в железнодорожных цистернах при выгрузке
реагента не используется техника, грузчики.
Качество промышленной воды лучше, чем при обработке сернокислым
алюминием. Остаточный алюминий колеблется от отсутствия до следов, мутность
не превышает 4 мг/дм3. При обработке сернокислым алюминием остаточный
алюминий ниже 0.3 мг/дм3 не бывает, мутность колеблется от 3 мг/дм3 до 12 мг/дм3
и выше.
Таким образом, целесообразно и эффективно особенно в зимний период года
производить очистку воды оксихлоридом алюминия.
Литература
1. Беличенко Ю.П., Полянинов Л.Я. Охрана водных ресурсов. VI.. 1976.
2. Возная Н.Ф. Химия и микробиология волы. М. 1979.
3. Зацепина Г.Н. Свойства и структура воды. М. 1974.
4. Клячко В.А., Апельцин И.Э. Очистка природных вод. М. 1971.
5. Кульский Л.А., Гороиовскин И.Т., Когановский A.M., Шевченко М.А. Справочник
по свойствам, методам анализа и очистке воды. Киев. 1980.
6. Кастальский А.А., Минц Д.М. Подготовка воды для питьевого и промышленного
водоснабжения. М.. 1962.
7. Таубе П.Р., Баранова А.Г. Практикум по химии воды. М.. 1971.
8. Фридрихсберг Д. А. Курс коллоидной химии М.-Л.. 1974.
9. Таубе П.Р., Баранова А.Г. Химия и микробиология воды. М.. 1983.
10. Марченко Р.Т. Физическая и коллоидная химия. М. 1965.
11. Рождов И.Н. Специальные методы обработки природных вод. Новочеркасск. 1977.
12. Гороновский И.Т., Назаренко Ю.П., Некряч Е.Ф. Краткий справочник по химии.
Киев. 1974.
13. ISSN 0321-4044 ВСТ. Водоснабжение и санитарная техника. Нaustechnik. № 3-10. 1997:
№4.7.1998.