Автор: Кейт
Email:kate@aquasust.com
Дата: 13 ноября 2024 г.
Промышленная и домашняя деятельность потребляет огромное количество водных ресурсов и образует значительные объемы сточных вод, что приводит к проблемам нехватки воды и снижению качества воды во многих странах. Поэтому достижение экологически чистой очистки и переработки сточных вод является актуальной проблемой, требующей решения. Метод коагуляции и осаждения прост в эксплуатации и экономически эффективен, широко применяется при очистке промышленных сточных вод. Обычно используемые коагулянты можно разделить на три основные категории: неорганические коагулянты, органические полимерные коагулянты и микробные коагулянты. Среди них в настоящее время наиболее широко используются недорогие неорганические коагулянты, тогда как органические коагулянты демонстрируют наилучшие лечебные эффекты. Микробные коагулянты все еще находятся на стадии лабораторных исследований. Разработка эффективных, безопасных и экономичных новых композитных коагулянтов является основной тенденцией будущего развития коагулянтов.
Классификация коагулянтов
Наиболее широко распространенный механизм коагуляции включает два процесса: коагуляцию и флокуляцию. Процесс коагуляции означает дестабилизацию коллоидных частиц и образование мелких агрегатов; процесс флокуляции включает в себя соединение этих небольших агрегатов под воздействием коагулянта с образованием более крупных хлопьев. К основным механизмам действия коагулянтов относятся сжатие двойного электрического слоя, адсорбционно-мостиковый эффект и сметающая флокуляция, которые дестабилизируют коллоидные частицы в воде, приводя к их агрегации и осаждению, обеспечивая тем самым эффект флокуляции. Обычные коагулянты можно разделить на три основные категории: неорганические коагулянты, органические полимерные коагулянты и микробные коагулянты.
01 Неорганические коагулянты
Принцип действия неорганических коагулянтов заключается в сжатии двойного электрического слоя и нейтрализации заряда. Коагулянты образуют в сточных водах противоионы, которые сжимают двойной электрический слой, что приводит к снижению дзета-потенциала коллоидов, вызывая исчезновение гидратного слоя на поверхности, дестабилизируя коллоиды. Впоследствии заряженные коллоидные частицы агрегируются за счет межмолекулярных взаимодействий и электростатических сил, образуя большие плотные хлопья.
Неорганические коагулянты можно классифицировать по разным критериям: по анионному составу их можно разделить на сульфатные и хлоридные; по молекулярной массе их можно разделить на высокомолекулярные и низкомолекулярные; а по типу солей металлов их можно разделить на соли железа (такие как хлорид железа, сульфат железа и сульфат железа) и соли алюминия (такие как сульфат алюминия, сульфат калия-алюминия и алюминат натрия).
Хлопья, образованные солями железа, большие и плотные, требуют меньших дозировок и хорошо работают при низких температурах и широком подходящем диапазоне pH (от 5.0 до 11). Однако соли железа могут вызывать коррозию оборудования, что требует тщательного контроля за состоянием оборудования и трубопроводов во время использования. Соли алюминия имеют более короткое время осаждения и меньшую окраску после обработки, но их эффективность сильно зависит от pH. Кроме того, высокие остаточные уровни Al³⁺ в воде могут привести к вторичному загрязнению, потенциально вызывающему болезнь Альцгеймера и анемию при попадании в организм человека, поэтому необходимо соблюдать особую осторожность, чтобы избежать вторичного загрязнения.
Эти низкомолекулярные коагулянты недороги и широко распространены, но имеют такие проблемы, как большие количества использования, значительное образование осадка и низкая эффективность. Поэтому происходит постепенный переход от низкомолекулярных к высокомолекулярным неорганическим коагулянтам. В настоящее время широко используемые высокомолекулярные неорганические коагулянты включают полимерные алюминиевые коагулянты, полимерные железосодержащие коагулянты, коагулянты из реактивного диоксида кремния и композитные коагулянты. Их действие в первую очередь основано на мостиковом эффекте, демонстрируя такие преимущества, как меньшая чувствительность к pH и температуре, стабильные адсорбционные эффекты, более низкая дозировка и меньший остаточный цвет. В последние годы масштабы производства высокомолекулярных неорганических коагулянтов постепенно увеличивались, составляя 80% от общего объема производства коагулянтов, что особенно заметно при очистке сточных вод с высокой мутностью.
02 Органические полимерные коагулянты
К принципам действия органических коагулянтов прежде всего относятся:
(1)адсорбция коллоидных частиц за счет водородных связей, электростатических взаимодействий и сил Ван-дер-Ваальса;
(2) сегменты полимерной цепи облегчают осаждение частиц за счет механизма мостиковой адсорбции. По сравнению с неорганическими коагулянтами органические полимерные коагулянты имеют такие преимущества, как более высокая эффективность очистки, более короткое время флокуляции, пригодность для низких температур, широкий диапазон pH и меньшее образование осадка.
Органические полимерные коагулянты можно разделить на две категории: природные модифицированные полимерные коагулянты и синтетические полимерные коагулянты. Синтетические полимерные коагулянты имеют контролируемую и относительно высокую молекулярную массу и могут вводить большее количество функциональных групп в сегменты цепи, обеспечивая превосходный эффект флокуляции. В настоящее время наиболее представительным синтетическим полимерным коагулянтом на китайском рынке является полиакриламид (ПАМ) и его производные, на долю которых приходится 80% всего рынка.
В отличие от синтетических полимеров, которые имеют высокую стоимость производства и токсичность для окружающей среды, натуральные модифицированные полимерные коагулянты имеют такие преимущества, как широкая доступность, более низкие затраты, безопасность, нетоксичность и настраиваемые молекулярные характеристики. Природные модифицированные полимерные коагулянты в основном включают производные крахмала, хитозан, целлюлозу, гуаровую камедь и другие камеди растительного происхождения, белки и водоросли, все из которых могут быть получены из растений и животных.
Например, молекулы модифицированного крахмала могут обеспечить превосходный эффект флокуляции; Катионный этерифицированный крахмал и его производные могут эффективно флокулировать отрицательно заряженные частицы, в то время как разветвленные структуры крахмала оказывают сильное флокуляционное воздействие на ионы тяжелых металлов, таких как медь, ртуть и свинец. Привитые сополимеры крахмала, сополимеризованные с другими мономерами, также могут эффективно удалять ионы тяжелых металлов. Модификация хитозана может быть достигнута с помощью таких методов, как прививка, этерификация, сшивание и алкилирование. Различные типы природных полимерных коагулянтов могут получить ряд желаемых свойств путем химической модификации и модификации для удовлетворения потребностей практического производства и повседневной жизни.
03 Микробные флокулянты
Микробные флокулянты представляют собой высокомолекулярные продукты и биомассу, образующиеся в результате роста и метаболизма специфических культивируемых микроорганизмов на определенной стадии. Они могут вызывать агрегацию и осаждение твердых взвешенных частиц в сточных водах, тем самым достигая цели очистки водоемов. Микробные флокулянты имеют широкий спектр источников и являются экономически эффективными; они обычно состоят из полисахаридов, белков, цепей ДНК, гликопротеинов и полиаминокислот. Они могут разлагаться естественным путем, не вызывая вторичного загрязнения.
Существует множество микроорганизмов, способных производить флокулянты, которые можно легко промышленно использовать путем разработки маршрутов. Однако исследования микробных флокулянтов в Китае по-прежнему ограничены, а текущие исследования в основном проводятся на лабораторном уровне и далеки от промышленного производства.
Перспективы развития флокулянтов
Флокулянты имеют широкий спектр применения при очистке сточных вод, эффективно удаляя различные взвешенные или растворимые примеси, ионы металлов, бактерии, вирусы и другие загрязнители. Они помогают добиться дезоксигенации, обесцвечивания и удаления фосфора, что приводит к экологически чистой и ресурсосберегающей очистке сточных вод. По мере продолжающегося прогресса исследований типы флокулянтов, используемых при очистке сточных вод в Китае, перешли от низкомолекулярных неорганических флокулянтов к высокомолекулярным органическим флокулянтам и от одиночных к композитным типам с целью обеспечения эффективности, экономичности и экологичности.
По сравнению с неорганическими флокулянтами и широко используемыми синтетическими высокомолекулярными флокулянтами природные высокомолекулярные флокулянты обладают явными преимуществами, такими как широкая доступность, низкая стоимость, безопасность, нетоксичность и экологичность. Промышленные сточные воды часто имеют большой объем, сложный состав и состоят из устойчивых дисперсий; таким образом, один флокулянт не может эффективно удалить все компоненты.
В последнее время наблюдается тенденция к использованию неоргано-органических и неоргано-микробных композитных флокулянтов, усиливающих синергетический эффект неоргано-органических флокулянтов. Сначала неорганические флокулянты нейтрализуют заряды и агрегируют примеси в крупные молекулярные кластеры, а затем органические высокомолекулярные флокулянты захватывают эти кластеры посредством мостикового действия для эффективного осаждения. Использование неорганических флокулянтов может уменьшить количество необходимых органических флокулянтов, достигая оптимальных результатов при меньших затратах. Однако конкретные составы и дозировки должны постоянно проверяться в зависимости от типа сточных вод.
В настоящее время широко используются и показывают хорошую эффективность композитные флокулянты полиалюминийхлорид-полиакриламид; однако они представляют определенные экологические риски. Будущие исследования могут быть сосредоточены на сочетании полимерных кремнеземных неорганических флокулянтов с натуральными органическими высокомолекулярными флокулянтами для повышения экологичности. Если промышленное производство микробных флокулянтов может быть достигнуто, неорганически-микробные композитные флокулянты также должны давать превосходные результаты очистки.
Ухудшение качества воды в результате производственной деятельности человека сделало экологически чистую и ресурсосберегающую очистку сточных вод актуальной проблемой. Использование соответствующих методов и агентов флокуляции позволяет добиться отличных результатов обработки при низких затратах. В настоящее время флокулянты перешли от низкомолекулярных к высокомолекулярным и от однотипных к композитным, эффективно удаляя из сточных вод взвешенные и растворенные примеси, тяжелые металлы и красители.