4.8. Моделирование процессов коагуляции и флокуляции

Для ускорения отстаивания часто укрупняют частицы дисперсной фазы, вызывая под действием некоторых веществ их коагулирование (сгущение).

Коагуляция особенно желательна в тех случаях, когда осветляемую жидкость необходимо отделить от устойчивой взвеси весьма мелких или коллоидных частиц.

Причиной устойчивости коллоидных взвесей является сольватация поверхности взвешенных веществ дисперсной фазы.

Сольватация (от лат. solvo – растворяю) – взаимодействие частиц (ионов, молекул и т.д.) растворённого вещества и растворителя.

Коагуляция осуществляется путём добавления в разделяемую неоднородную систему веществ, разрушающих сольватированные оболочки и уменьшающих диффузионную часть двойного электрического слоя у поверхности взвешенных частиц. Между частицами возникают силы сцепления, приводящие к образованию агрегатов частиц с большой массой. Осаждение образующихся агрегатов происходит с большей скоростью и процесс разделения существенно ускоряется.

В качестве коагулянтов применяют электролиты. Чаще всего растворимые в воде соли, гидролизуясь, образуют хлопьеобразные гидраты окислов металлов (сульфат или хлорид алюминия, известь, полистерол).

Кроме коагулянтов, к осветляемой жидкости добавляют небольшое количество (0,4 – 2 % массы твёрдой фазы) флокулянтов, способствующих слипанию агрегативно неустойчивых твёрдых частиц.

Для слипания агрегативно неустойчивых твёрдых частиц применяют отстаивание со слабым механическим перемешиванием среды.

Действие флокулянта заключается в адсорбции его молекул на частицах и объединении их в более крупные и прочные агрегаты. Агрегирование приводит к увеличению скорости осаждения, особенно в начальной стадии процесса.

Вследствие рыхлости образующихся хлопьев конечная стадия отстаивания, сопровождающаяся уплотнением шлама, может несколько замедляться.

4.9. Фильтрование

Процесс разделения суспензии с использованием пористых перегородок, которые задерживают твёрдую фазу суспензии и пропускают её жидкую фазу, называется фильтрованием.

Фильтр – сосуд, разделённый на две части фильтровальной перегородкой. Под действием разности давлений жидкость проходит через поры фильтровальной перегородки, а твёрдые частицы задерживаются на её поверхности (рис. 41). Суспензии разделяются на влажный осадок и фильтрат.

Рис. 41. Схемы работы фильтров:

1 – фильтрат; 2 – фильтровальная перегородка; 3 –суспензия;

4 - фильтрат; 5 – чистая вода; стрелки – движение фильтрата

Иногда твёрдые частицы проникают в поры фильтровальной перегородки и задерживаются там, не образуя осадка. Процесс называют фильтрованием с закупориванием пор.

Возможен промежуточный вид фильтрования, когда твёрдые частицы проникают в поры фильтровальной перегородки и образуют на ней слой осадка. При разделении суспензий с небольшой концентрацией тонкодисперсной твердой фазы часто применяют вспомогательные фильтровальные вещества, препятствующие проникновению твёрдых частиц в поры фильтровальной перегородки. Процесс фильтрования часто сопровождается стеснённым или свободным осаждением твёрдых частиц суспензии под действием силы тяжести.

Силы движения фильтрата могут совпадать, быть противоположными и перпендикулярными направлению действия сил тяжести, в зависимости от горизонтального или вертикального положения фильтровальной перегородки, а также нахождения суспензии над перегородкой или под ней.

Если суспензия находится (рис. 41, а) над фильтровальной перегородкой, осаждение твёрдых частиц приводит к более быстрому образованию осадка с получением чистой жидкости, которая может быть удалена из фильтра декантацией.

Суспензия находится под фильтровальной перегородкой (рис. 41, б), осаждение твёрдых частиц будет вызывать необходимость перемешивания суспензии для поддержания её однородности.

Осадки, получаемые на фильтровальной перегородке, при разделении суспензий подразделяют на несжимаемые и сжимаемые.

У несжимаемых осадков пористость не уменьшается при увеличении разности давлений. К практически несжимаемым относят осадки, состоящие из частиц меньше 100 мк.

Пористость – отношение объёма пор к объёму осадка.

Пористость сжимаемых осадков уменьшается, а их гидравлическое сопротивление потоку жидкой фазы возрастает с увеличением разности давлений. К сильно сжимаемым относятся осадки гидратов окисей металлов, например, алюминия, железа, меди, легко деформируемых аппаратов. Для получения относительно трудно деформируемых субстанций из тонкодисперсных первичных частиц суспензии к ней добавляют перед разделением коагулянты и флокулянты.