При очистке воды коагуляция и флокуляция включают добавление соединений, которые способствуют слипанию мелких хлопьев в более крупные хлопья, чтобы их было легче отделить от воды. Коагуляция — это химический процесс, который включает нейтрализацию заряда, тогда как флокуляция — это физический процесс, который не включает нейтрализацию заряда. Процесс коагуляции-флокуляции можно использовать в качестве предварительного или промежуточного этапа между другими процессами очистки воды или сточных вод, такими как фильтрация и осаждение . Соли железа и алюминия являются наиболее широко используемыми коагулянтами, но соли других металлов, таких как титан и цирконий, также оказались высокоэффективными. [1] [2]
На коагуляцию влияют тип используемого коагулянта, его доза и масса; pH и начальная мутность очищаемой воды; и свойства присутствующих загрязняющих веществ. [1] [3] На эффективность процесса коагуляции также влияет предварительная обработка, такая как окисление . [1] [4]
В коллоидной суспензии частицы оседают очень медленно или не оседают вообще, поскольку коллоидные частицы несут поверхностные электрические заряды, которые взаимно отталкивают друг друга. Этот поверхностный заряд чаще всего оценивается с точки зрения дзета-потенциала , электрического потенциала на плоскости скольжения. Чтобы вызвать коагуляцию, в воду добавляют коагулянт (обычно соль металла) с противоположным зарядом, чтобы преодолеть отталкивающий заряд и «дестабилизировать» суспензию. Например, коллоидные частицы заряжены отрицательно, а квасцы добавляются в качестве коагулянта для создания положительно заряженных ионов. Как только отталкивающие заряды нейтрализуются (поскольку противоположные заряды притягиваются), сила Ван-дер-Ваальса заставит частицы слипаться (агломерироваться) и образовывать микрохлопья. [ нужна цитата ]
Дозу используемого коагулянта можно определить с помощью баночного теста. [1] [5] Испытание в банке включает в себя воздействие на образцы воды, подлежащей обработке, одинакового объема, воздействию различных доз коагулянта, а затем одновременное смешивание образцов с постоянным быстрым временем перемешивания. [5] Микрофлоки, образующиеся после коагуляции, подвергаются дальнейшей флокуляции и оседают. Затем измеряют мутность образцов и можно сказать, что доза с наименьшей мутностью является оптимальной.
Несмотря на его широкое использование при проведении так называемых «экспериментов по обезвоживанию», полезность метода в банке ограничена из-за ряда недостатков. Например, для оценки эффективности перспективных коагулянтов или флокулянтов требуются как значительные объемы проб воды/сточных вод (литры), так и время эксперимента (часы). Это ограничивает объем проводимых экспериментов, включая добавление повторов. [6] Кроме того, анализ экспериментов по тестированию банок дает результаты, которые часто являются лишь полуколичественными. В связи с широким спектром существующих химических коагулянтов и флокулянтов было отмечено, что определение наиболее подходящего обезвоживающего агента, а также оптимальной дозы «широко считается скорее «искусством», чем «наукой»». [7] Таким образом, тесты на производительность обезвоживания, такие как тест в банке, хорошо поддаются миниатюризации. Например, микромасштабный тест на флокуляцию, разработанный LaRue et al. уменьшает масштаб обычных тестов в банках до размера стандартного многолуночного микропланшета , что дает преимущества, связанные с уменьшением объема образца и увеличением распараллеливания; этот метод также пригоден для количественных показателей обезвоживания, таких как время капиллярного всасывания. [7]
Автоматизированным устройством для определения дозы коагулянта является детектор потокового тока (ППТ). SCD измеряет суммарный поверхностный заряд частиц и показывает значение текущего тока , равное 0, когда заряды нейтрализуются ( катионные коагулянты нейтрализуют анионные коллоиды ). При этом значении (0) дозу коагулянта можно назвать оптимальной. [1]
Сама коагуляция приводит к образованию хлопьев, но флокуляция необходима, чтобы помочь хлопьям в дальнейшем агрегироваться и осесть. Сам процесс коагуляции-флокуляции удаляет только около 60–70% природных органических веществ (NOM), и поэтому для полной очистки сырой воды или сточных вод необходимы другие процессы, такие как окисление, фильтрация и седиментация. [4] Коагулянты (полимеры, связывающие коллоиды) также часто используются для повышения эффективности процесса. [8]