НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ БІОКОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ ІМ. Ф.Д. ОВЧАРЕНКА

ДОНЦОВА ТЕТЯНА АНАТОЛІЇВНА

УДК 544.123.21+544.77.052.22+

+544.77.052.5

ВИДІЛЕННЯ ТОНКОДИСПЕРСНИХ СОРБЕНТІВ З ВОДНИХ РОЗЧИНІВ УЛЬТРА-ФЛОКУЛЯЦІЄЮ ТА ТУРБУЛЕНТНОЮ МІКРОФЛОТАЦІЄЮ

Спеціальність 02.00.11 – колоїдна хімія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

КИЇВ – 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у відділі фізико-хімічної гідродинаміки ультра-дисперсних систем Інституту біоколоїдної хімії ім. Ф.Д. Овчаренка Національної академії наук України

Науковий керівник: доктор хімічних наук

Рульов Микола Миколайович

Інститут біоколоїдної хімії ім. Ф.Д. Овчаренка НАН України, м. Київ

старший науковий співробітник,

завідувач відділу фізіко-хімічної гідродинаміки ультра-дисперсних систем

Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, професор

Альтшулер Марк Аврамович

Український науково-дослідний інститут нафтопереробної

промисловості “МАСМА”, м. Київ

головний науковий співробітник

кандидат хімічних наук, доцент

Тимчук Алла Федорівна

Одеський національний університет ім. І.І. Мечникова, м. Одеса

доцент кафедри фізичної та колоїдної хімії

Провідна установа: Інститут сорбції та проблем ендоекології НАН України, м. Київ

Захист відбудеться ”_16_”__листопада__2006 р. о_14_годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.209.01 в Інституті біоколоїдної хімії ім. Ф.Д. Овчаренка НАН України за адресою: 03142, Київ – 142, бульвар Академіка Вернадського, 42, к. 132

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту біоколоїдної хімії ім. Ф.Д. Овчаренка НАН України за адресою: 03142, Київ – 142, бульвар Академіка Вернадського, 42, к. 

Автореферат розісланий ”_3_”__жовтня__2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.209.01

кандидат технічних наук В.А. Прокопенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток промисловості та пов'язане з ним розширення асортименту використовуваних небезпечних хімічних сполук (включаючи важкі метали, радіонукліди та ін.) неминуче збільшує імовірність техногенних катастроф, що призводить до забруднення великих територій та питних ресурсів на них. Тому надзвичайно актуально розвивати комплексні високоефективні методи очистки вод від небезпечних забруднень. Для цієї мети використовуються різні колоїдно-хімічні методи, включаючи коагуляцію і співосадження, адсорбцію й іонний обмін, зворотний осмос та ін.

У даний час для глибокої очистки води від розчинених забруднень найбільше поширення здобув сорбційний метод, реалізований за допомогою тонкодисперсних сорбентів, які мають високу питому поверхню, завдяки якій у багато разів зменшується швидкість процесу сорбції, істотно знижується витрата сорбенту, і, відповідно, кількість підлягаючих переробці (регенерації чи похованню) відходів. Основний недолік використання тонкодисперсних сорбентів полягає в трудності їх відділення від води після завершення процесу сорбції. Як наслідок, наприклад, станції підготовки питної води займають величезні площі, основна частина яких припадає на горизонтальні освітлювачі (відстійники) і/чи піщані фільтри, будівництво яких обходиться дуже дорого. Таким чином, основною проблемою використання тонкодисперсних сорбентів для очистки води від небезпечних забруднень є розвиток високоефективних методів відділення (сепарації) їх від води після завершення процесу сорбції.

Одним зі способів вирішення проблеми сепарації тонкодисперсних сорбентів від води є використання ультра-флокуляції і турбулентної мікрофлотації (як окремо, так і в комбінації з іншими методами). У цьому зв'язку, вивчення колоїдно-гідродинамічних закономірностей процесів ультра-флокуляції і турбулентної мікрофлотації тонкодисперсних сорбентів є актуальним як з наукової, так і з практичної точки зору, тому що воно дозволить розширити фундаментальні знання та створити наукову основу для удосконалення технології очистки води від небезпечних водорозчинних і колоїдно-дисперсних забруднень за допомогою тонкодисперсних сорбентів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в Інституті биоколоїдної хімії НАН України в рамках держбюджетних тем: “Теоретичне обґрунтування й розробка колоїдно-хімічних методів розподілу компонентів у промислових розчинах з утилізацією корисних речовин” (1999-2001 р.р. № Держреєстрації 0100V002371, шифр теми 2.16.1.12); “Вивчити механізми та розробити ефективні процеси колоїдно-хімічної сепарації складових техногенних розчинів” (2002-2004 р.р. № Держреєстрації 0100V007049, шифр теми 2.16.1.12) і проектів комплексної програми фундаментальних досліджень НАН України “Наносистеми, наноматеріали й нанотехнології”: “Відгук наночастинок та клітинних структур у розчинах електролітів на дію зовнішніх полів і кінетика коагуляції нанодисперсних систем: теорія й експеримент” (2003-2005 р.р. № Держреєстрації 0103V006026, шифр теми 1.14.2.4; 2.16.1.2); “Дослідження процесу сепарації ультрадисперсних мінералів за допомогою турбулентної мікрофлотації: теорія та експеримент” (2004-2005 р.р. № Держреєстрації 0104V007799, шифр теми 2.16.1.7; 1.14.2.4).

Мета та задачі дослідження. Мета роботи – вивчення колоїдно-гідродинамічних закономірностей процесів ультра-флокуляції і турбулентної мікрофлотації водних суспензій тонкодисперсних сорбентів: глинистих мінералів, гідроксиду алюмінію, фероціанідів міді і нікелю та розробка на основі отриманих даних ефективних способів виділення цих сорбентів з водних розчинів.

Для досягнення цієї мети було поставлено та вирішено наступні задачі:

· Вивчення впливу дисперсності сорбенту на ефективність процесу сорбції іонів важких металів з водних розчинів;

· Вивчення ефективності сорбенту при синтезуванні його безпосередньо в оброблюваному розчині;

· Дослідження впливу інтенсивності гідродинамічної обробки на властивості флокул, що утворюються в процесі флокуляції водних суспензій тонкодисперсних сорбентів;

· Вивчення закономірностей процесів ультра-флокуляції і седиментації водних суспензій тонкодисперсних сорбентів;

· Вивчення закономірностей турбулентної мікрофлотації попередньо сфлокульованних водних суспензій тонкодисперсних сорбентів;

· Розробка способу виділення тонкодисперсних сорбентів з оброблюваного розчину, заснованого на процесах ультра-флокуляції, седиментації та турбулентної мікрофлотації;

· Створення модельної установки для вивчення процесу вилучення тонкодисперсних сорбентів з водних розчинів за допомогою ультра-флокуляції, седиментації та турбулентної мікрофлотації.

Об'єкти дослідження – іонні розчини солей міді, нікелю і цезію; тонкодисперсні сорбенти на основі глинистих мінералів (кліноптилоліт, Na-бейделіт), гідроксиду алюмінію, фероціанідів міді і нікелю; флокулянти на основі поліакриламіду і полідадмаку.

Предмет дослідження – колоїдно-гідродинамічні закономірності сепарації водних суспензій тонкодисперсних сорбентів за допомогою ультра-флокуляції, седиментації і турбулентної мікрофлотації.

Методи дослідження. У роботі були використані методи атомно-абсорбційної спектрофотометрії та спектрофотометричний для визначення іонів міді, нікелю і цезію; метод електронної і оптичної мікроскопії для визначення розмірів часток сорбентів; гравіметричний і фотоколориметричний методи для визначення концентрації часток сорбентів у воді.

Наукова новизна отриманих результатів. Вперше встановлено кількісну залежність між середнім градієнтом швидкості середовища і розміром одержуваних агрегатів при флокуляції водних тонкодисперсних суспензій Na-бейделіту, гідроксиду алюмінію, фероціаніду нікелю. Розроблено методику визначення енергії адсорбції молекул флокулянта на частках сорбенту, що базується на вимірі залежності максимального розміру флокул від інтенсивності гідродинамічної обробки (дисипації механічної енергії) суспензії.

Виявлено, що короткочасна жорстка гідродинамічна обробка ефективно впливає на процес флокуляції вищезгаданих суспензій. Знайдено, що після короткочасної жорсткої гідродинамічної обробки в процесі ультра-флокуляції водних розведених суспензій суттєве значення набуває м'яка гідродинамічна обробка, яка поступово спадає за інтенсивностю. Визначено залежності ефективності вилучення тонкодисперсних часток сорбенту від інтенсивності гідродинамічної обробки в процесах ультра-флокуляції і турбулентної мікрофлотації водних суспензій Na-бейделіту, гідроксиду алюмінію і фероціаніду нікелю.

Практична цінність роботи. Розроблено спосіб процесу відділення тонкодисперсних сорбентів від водних розчинів, заснований на методах ультра-флокуляції, седиментації і турбулентної мікрофлотації, запропоновано технологічні схеми відділення.

Результати дослідження колоїдно-гідродинамічних закономірностей процесів ультра-флокуляції і турбулентної мікрофлотації водних суспензій тонкодисперсних сорбентів будуть використані для оптимізації цих процесів та прогнозування їх ефективності при відділенні цих сорбентів від промислових вод в процесі їх очищення від небезпечних розчинних та колоїдно-дисперсних забруднень (включаючи важкі метали і радіонукліди).

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок автора полягав у пошуку та обробці літературних джерел з досліджуваної тематики, особистій участі в плануванні, постановці та проведенні експериментів. Теоретична частина роботи, а також аналіз і узагальнення отриманих експериментальних результатів виконувалися автором спільно з керівником доктором хімічних наук М.М. Рульовим. Технічна частина роботи щодо створення установки виконана за участю головного інженера В.Я. Корольова.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи були повідомлені й обговорені на другій міжнародній конференції “Role of interfaces in environmental protection” (Hungary, Miskolc-Lillafured, May, 2002); 16-ій європейській конференції по хімії міжфазних поверхонь (Росія, Володимир, Травень, 2003); міжнародній конференції “Коллоидные ситемы. Свойства, материалы, применение” (Україна, Одеса, серпень-вересень, 2006).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 10 наукових праць у провідних наукових журналах, у тому числі 3 тези доповідей.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація включає вступ, п'ять розділів, висновки, список використаних джерел (143 найменування). Робота викладена на 111 сторінках машинописного тексту, ілюстрована 6 таблицями та 31 малюнком.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дослідження, сформульовано мету і задачі роботи, показано наукову новизну, теоретичне і практичне значення отриманих результатів, а також особистий внесок здобувача.

У першому розділі проведено огляд літературних джерел щодо застосування тонкодисперсних сорбентів для очистки водних розчинів від небезпечних забруднень. Проаналізовано методи сепарації водних суспензій тонкодисперсних сорбентів. Окремо розглянуті методи сепарації тонкодисперсних водних суспензій ультра-флокуляцією і турбулентною мікрофлотацією. Приведено дані щодо застосування цих методів для очистки води від органічних сполук. Аналіз наукової інформації свідчить про перспективність використання методів ультра-флокуляції і турбулентної мікрофлотації для вилучення тонкодисперсних сорбентів з водних розчинів.

На основі проведеного аналізу літератури визначені наукові задачі, вирішення яких дозволить ефективно проводити процес вилучення тонкодисперсних сорбентів з водних розчинів ультра-флокуляцією і турбулентною мікрофлотацією.

У другому розділі представлені характеристики об'єктів і методів дослідження. Об'єктами дослідження служили тонкодисперсні сорбенти, а саме: сорбенти на основі глинистих мінералів (кліноптилоліт, Na-бейделіт), гідроксид алюмінію, фероціаніди міді та нікелю. В експериментах використовували сорбенти у вигляді водних суспензій, приготовлених на розчині азотистокислого натрію (з концентрацією 0,5 г/дм3). Для флокулярної обробки сорбентів застосовували флокулянти виробництва фірми “Ciba” на основі поліакриламіду і полідадмаку. В якості забруднювачів використовували іонні розчини міді, нікелю та цезію. В експериментах по турбулентній мікрофлотації в якості катіонного збирача було використано Этоній-С10 (біс четвертична амонієва основа).

Сорбцію іонів металів з розчинів виконували в мікромішалці при інтенсивному перемішуванні. Вивчення процесу ультра-флокуляції проводили в проточному циліндричному флокуляторі Куэта. Рівень неоднорідності гідродинамічного поля (середній градієнт швидкості середовища) регулювали шляхом зміни швидкості обертання ротора флокулятора. Мікрофлотаційне вилучення часток сорбенту здійснювали в лабораторній установці для турбулентної мікрофлотації, що включає послідовно з'єднані проточний електролізер (генератор мікробульбашок), трубчастий статичний міксер і піновідділювач. Мікробульбашки (ш 5...50 мкм) одержували шляхом часткового електролітичного розкладання води на кисень і водень за допомогою нерозчинних електродів.

Для контролю процесу сорбції іонів металів на частках сорбенту були використані фізико-хімічні методи дослідження (атомно-абсорбційна спектрофотометрія, колориметричний аналіз). Визначення концентрації зважених часток у розчинах виконували гравіметричним і фотоколориметричним методами. Для визначення розмірів вихідних часток сорбенту і флокул, що утворювались в процесі ультра-флокуляції, застосовували мікроскопічний аналіз.

У третьому розділі приведено результати дослідження впливу дисперсності часток сорбенту (кліноптилоліту) на кінетику процесу сорбції іонів міді і нікелю з водних  розчинів, а також залежності ефективності процесу сорбції іонів цезію фероціанідним сорбентом від способу його одержання і застосування.

Встановлено, що сорбція іонів Cu2+ і Ni2+ з розчинів на частках кліноптилолітного сорбенту значно збільшується зі зменшенням розміру вихідних часток сорбенту (рис. 1).

Причому сорбційна рівновага в проміжку часу 30-400 с досягається тільки при використанні тонкодисперсних сорбентів (розмір часток – ‹ 1 мкм). Сорбція ж металів на грубодисперсному кліноптилоліті (розмір часток – 500-1000 мкм) за цей час практично не відбувається, а використання середньодисперсного (25-40 мкм) сорбенту дозволяє вилучити не більш 45 % іонів міді і нікелю. Встановлено також, що для вилучення іонів міді і нікелю тонкодисперсного сорбенту потрібно приблизно в 8 разів менше, ніж середньодисперсного.

Досліджено процес сорбції іонів цезію на частках тонкодисперсних фероціанідних сорбентів у залежності від способу їх одержання. Показано (рис. 2), що при синтезі часток фероціанідного сорбенту безпосередньо в оброблюваному розчині (шляхом введення відповідних кількостей вихідних реактивів: NiCl2 чи СuCl2 і K4[Fe(CN)6]) витрату сорбенту, а, отже, кількість відходів і вартість процесу, можна істотно зменшити.

На основі отриманих кількісних залежностей було встановлено, що, наприклад, використання чистих тонкодисперсних фероціанідів міді чи нікелю (замість відомих композиційних сорбентів на основі фероціанідів і полімерного сполучного) дозволяє скоротити кількість відходів у 8-10 разів, а час сорбційної обробки зменшити з 30-60 хвилин до 20-40 секунд.

У четвертому розділі описано дослідження, метою яких було вивчення особливостей застосування методу ультра-флокуляції для інтенсифікації процесів сепарації тонкодисперсних сорбентів різної природи, а саме: кліноптилоліту, гідроксиду алюмінію, фероціаніду нікелю і Na-бейделіту.

При вивченні флокуляції перерахованих вище тонкодисперсних сорбентів було виявлено, що катіонні флокулянти ефективно флокулюють тонкодисперсні частки кліноптилоліту і Na-бейделіту, а аніонні – частки гідроксиду алюмінію, фероціаніду нікелю і Na-бейделіту. Також встановлено, що флокуляція кліноптилоліту і Na-бейделіту поліпшується зі збільшенням катіонної активності флокулянтів і зовсім не залежить від їх молекулярної маси. У випадку ж флокуляції часток гідроксиду алюмінію, фероціаніду нікелю і Na-бейделіту аніонними флокулянтами картина трохи інша. Флокуляція часток гідроксиду алюмінію і Na-бейделіту поліпшується при збільшенні молекулярної маси флокулянта. Зі збільшенням же іонної сили цих флокулянтів ефективність флокуляції часток Na-бейделіту збільшується, а гідроксиду алюмінію і ферроціаніду нікелю зменшується. Таким чином, можна стверджувати, що флокуляція часток кліноптилоліту і фероціаніду нікелю відбувається у більшій мірі за рахунок нейтралізації поверхневого заряду часток, а гідроксиду алюмінію та Na-бейделіту як за рахунок нейтралізації поверхневого заряду часток, так і за рахунок утворення мостиків.

Були виконані вимірювання залежності максимального розміру флокул, що утворюються в процесі ультра-флокуляції від інтенсивності гідродинамічної обробки (величини середнього градієнта швидкості середовища G) різних суспензій тонкодисперсних сорбентів (скляних кульок, гідроксиду алюмінію, фероціаніду нікелю і Na-бейделіту). З метою виключення седиментаційного й агломераційного ефектів у вищезгаданих експериментах були використані сильнонеоднорідні гідродинамічні поля (G = 104-105 с-1).

На підставі отриманих експериментальних даних, а також теоретичного аналізу були розраховані значення парної енергії зв'язку часток у флокулі (табл. 1) за формулою:

, (1)

де U і – парна і питома парна енергії зв'язку часток у флокулі, р – пористість, К – коефіцієнт, що відображає яка частина дисипованої в обґємі флокули енергії витрачається на її розрив, G – середній градієнт швидкості середовища, з - динамічна в'язкість середовища, dp – вихідний розмір часток, е – дисипація механичної енергії, сw - щільність середовища.

Встановлено, що отримані значення парної енергії зв'язку часток, утворених за допомогою полімерних флокулянтів, на три-чотири порядки перевершують енергію зв'язку, яку можуть забезпечити дисперсійні сили при величині зазору між частками порядку 10-100 нм.

Якщо вважати, що площа, яку займає один центр адсорбції полімерної молекули флокулянта (при щільному заповненні), складає, приблизно, 2 (нм)2, то величина Еads (енергія адсорбції) у залежності від типу часток і флокулянта коливається від 0,3 до 6,8 кдж/моль.

Також було виявлено, що зі збільшенням питомої енергії зв'язку часток пористість агрегатів збільшується. На нашу думку, це зв'язано з тим, що зі збільшенням питомої енергії зв'язку часток зменшується гнучкість і рухливість окремих контактів, що заважає більш щільному компактуванню часток в агрегаті в процесі його формування в неоднорідному гідродинамічному полі.

На підставі встановлених кількісних залежностей запропонована методика визначення енергії адсорбції активних центрів флокулянта на частках сорбенту, що базується на вимірюванні залежності максимального розміру флокул від величини дисипації механічної енергії при гідродинамічній обробці суспензії.

На прикладі скляних кульок (dp = 3 мкм) показано, що залежність максимального розміру флокул від концентрації флокулянта має типово екстремальний характер (рис. 3). При цьому зі збільшенням інтенсивності гідродинамічної обробки величина максимуму зменшується, а його положення зміщується у бік менших концентрацій флокулянта. Це свідчить про те, що зі збільшенням рівня турбулентності середовища прискорюється процес доставки й адсорбції молекул флокулянта на поверхні часток, у результаті чого оптимальне покриття їх поверхні адсорбційним шаром флокулянта досягається при менших його концентраціях. На підставі цих залежностей була розрахована залежність парної енергії зв'язку скляних кульок від концентрації флокулянта Zetag-64, що якісно повторює залежність ефективності флокулярного процесу від концентрації флокулянта (рис. 4). Таким чином, показано, що максимум ефективності флокуляції відповідає максимуму парної енергії зв'язку часток у флокулі.

При дослідженні процесу ультра-флокуляції тонкодисперсних суспензій різної природи виявлено, що оптимальний градієнт швидкості середовища G для первинної жорсткої гідродинамічної обробки лежить в області значень 1200-3000 c-1. У цій області спостерігався яскраво виражений мінімум залишкової концентрації тонкодисперсних часток сорбенту (рис. 5) і максимальний ефект зниження питомого обґєму осаду (рис. 6).

Зазначено, що оптимальні значення градієнта швидкості середовища G зі зменшенням часу гідродинамічної обробки в ультра-флокуляторі будуть зміщуватися в область більших значень.

Виявлено, що ультра-флокулярна обробка дозволяє досягти значно більш високої щільності упакування часток, ніж при перемішуванні, яке звичайно використовується (G = 100-300 с-1), і в 1,5-2,5 рази знизити споживання флокулянта.

Слід відмітити, що при обробці розведених суспензій істотне значення має не тільки жорстка, але і м'яка гідродинамічна обробка. При збільшенні часу й інтенсивності м'якої гідродинамічної обробки істотно зменшується залишкова мутність суспензії (рис. 7). Встановлено, що найкращі результати досягаються, коли при м'якій гідродинамічній обробці середній градієнт швидкості середовища G поступово спадає від 1000 до 30 с-1.

Результати проведених досліджень свідчать, що в результаті жорсткої і наступної поступово спадаючої по інтенсивності м'якої гідродинамічної обробки досягається істотне поліпшення (як мінімум у 2 рази) флокулярно-седиментаційного розподілення розведених тонкодисперсних суспензій (концентрація твердого – 1 г/дм3; розмір часток – 1 мкм).

У п'ятому розділі дисертаційної роботи сформульовані основні принципи процесу відділення тонкодисперсних сорбентів від водних розчинів за допомогою ультра-флокуляції, седиментації і турбулентної мікрофлотації, а також розглянуті основні закономірності вилучення тонкодисперсних сорбентів з оброблюваних розчинів за допомогою цих методів.

Розроблено три способи вилучення тонкодисперсних сорбентів з водних розчинів, що, у залежності від концентрації суспензії, можуть включати: 1) турбулентну мікрофлотацію; 2) ультра-флокуляцію і седиментацію; 3) ультра-флокуляцію, седиментацію і турбулентну мікрофлотацію.

На основі розроблених способів створена модельна установка (рис. 8), що складається з трьох послідовно з'єднаних блоків: ультра-флокуляції, седиментації і турбулентної мікрофлотації.

На прикладі тонкодисперсних сорбентів – гідроксиду алюмінію і Na-бейделіту показано (рис. ), що  ступінь вилучення тонкодисперсних часток сорбенту з водних розчинів методами ультра-флокуляції і седиментації може досягати 70-97 %, а комбінація ультра-флокуляції, седиментації і турбулентної мікрофлотації дозволяє збільшити це значення до 99 %. Важливо відзначити, що максимальна залишкова концентрація тонкодисперсних часток сорбенту при цьому може складати менш 5 мг/дм3.

На основі даних, представлених на рис. 9, можна зробити висновок, що при концентрації тонкодисперсного сорбенту у водному розчині більше 400 мг/дм3 використання тільки однієї турбулентної мікрофлотації не раціонально через дуже велике навантаження на бульбашки. З іншого боку, зі зменшенням концентрації тонкодисперсного сорбенту ефективність методу ультра-флокуляції істотно знижується. У кінцевому рахунку, було встановлено, що якщо концентрація тонкодисперсного сорбенту приблизно дорівнює 400 мг/дм3 чи більше, то раціонально застосовувати тільки методи ультра-флокуляції і седиментації, якщо ж вона нижче 50 мг/дм3, то досить використовувати одну турбулентну мікрофлотацію. У випадку ж, коли концентрація тонкодисперсного сорбенту лежить у діапазоні 50-400 мг/дм3 доцільно послідовно використовувати всі три методи: ультра-флокуляцію, седиментацію і турбулентну мікрофлотацію.

У процесі вивчення турбулентної мікрофлотації встановлено вплив концентрації катіонного збирача (Этонія-С10) на ефективність вилучення тонкодисперсних часток сорбенту. На рис. 10 показана залежність вилучення гідроксиду алюмінію від концентрації збирача, звідки видно, що зі збільшенням концентрації збирача від 0 до 8 мг/дм3 ефективність флотаційного вилучення збільшується. Слід зазначити, що для всіх інших представлених у цьому розділі сорбентів спостерігається аналогічна залежність ефективності флотації від концентрації збирача (Этонія-С10).

Дослідження флотаційного вилучення тонкодисперсних часток сорбенту від об'ємної концентрації бульбашок показало, що вони мають слабковиражений екстремальний характер (рис. ). Останнє обумовлено тим, що, відповідно до теорії Смолуховського, зі збільшенням об'ємної концентрації бульбашок збільшується швидкість їх коалесцентного укрупнення, що приводить до відриву частини вже закріплених часток сорбенту від бульбашок і, відповідно, до зниження величини ефективності вилучення. Підтвердженням тому служить і той факт, що зі збільшенням часу гідродинамічної обробки багатофазної суміші в трубчастому статичному міксері 10 (рис. 8) положення максимуму вилучення тонкодисперсних часток зміщується у бік меншої об'ємної концентрації бульбашок .

На основі отриманих експериментальних даних показана перспективність використання ультра-флокуляції і турбулентної мікрофлотації для вилучення тонкодисперсних часток сорбенту з водних розчинів. Результати дослідження демонструють високу ефективність цих методів у порівнянні з відомими методами вилучення тонкодисперсних часток з водних середовищ. Зокрема, використання ультра-флокуляції і турбулентної мікрофлотації дозволяє скоротити тривалість обробки води (а, отже, підвищити продуктивність процесу), як мінімум, у 4 рази при високих показниках ступеня вилучення (вище 90 %).

ВИСНОВКИ

1. Встановлені в дослідженні колоїдно-хімічні закономірності процесів ультра-флокуляції і турбулентної мікрофлотації водних суспензій тонкодисперсних сорбентів дозволяють ефективно виділити тонкодисперсні частки сорбентів на основі глинистих мінералів, гідроксиду алюмінію та фероціанідів міді і нікелю.

2. На прикладі сорбенту кліноптилоліту показано, що зменшення розміру часток сорбенту від 1 мм до 1 мкм зменшується час процесу сорбції від 1-2 годин до 30 секунд, а питома витрата сорбенту в 8-10 разів.

3. Встановлено, що синтез колоїдно-дисперсного сорбенту солей цезію фероціаніду безпосередньо в оброблюваному розчині шляхом введення фероціаніду калію та відповідних хлоридів металів поліпшує адсорбціонні властивості та зменшує витрати сорбентів у 1,5 рази порівняно із попередньо приготовленими сорбентами.

4. Запропоновано методику визначення енергії адсорбції молекул флокулянта на частках сорбенту, що базується на вимірюванні залежності максимального розміру флокул від інтенсивності гідродинамічної обробки (дисипації механічної енергії).

5. Показано, що максимум ефективності флокуляції водних суспензій гідроксиду алюмінію, фероціаниду нікелю і Na-бейделіту відповідає максимуму парної енергії зв'язку часток у флокулі.

6. Встановлено, що для флокуляції суспензій гідроксиду алюмінію, фероціаниду нікелю і Na_бейделіту найбільш ефективний режим гідродинамічної обробки складається із двох етапів: попередньої короткочасної жорсткої гідродинамічної обробки (G – 1200-3000 с-1, t = 5-10 с) та наступної м'якої гідродинамічної обробки (G = 1000-30 с-1, t = 10-30 с). Показано, що використання короткочасної жорсткої гідродинамічної обробки дозволяє одержувати набагато більш щільні флокули, що можна пояснити особливостями утворення флокул в цих умовах.

Основні результати дисертації викладені в роботах:

1. Rulyov N.N., Dontsova T.A., Korolyov V.Ya. Ultra-Flocculation of Diluted Fine Disperse Suspensions // Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review. – 2005. – Vol. 26. – № 3-4. – P. 203-217. (постановка та проведення експерименту, участь в обговоренні результатів досліджень та написанні статті).

2. Рулев Н.Н., Королев В.Я., Донцова Т.А. Физико-химическая микрогидродинамика ультрадисперсных систем // Коллоидно-химические основы нанотехнологии. – К.: Академпериодика, 2005. – С. 169-195. (проведення експерименту (флокуляція ультра-дисперсних сиситем, вимірювання парної енергії зв'язку часток, ультра-флокуляція), участь в обговоренні результатів та написанні статті).

3. Рулёв Н.Н., Донцова Т.А., Небеснова Т.В. Парная энергия связи частиц и размер флокул, образующийся в турбулентном потоке // Химия и технология воды. – 2005. – Т. 27. – №1. – С. 21-37. (проведення експерименту, розрахунків, участь в обговоренні результатів та написанні статті).

4. Рулёв Н.Н., Донцова Т.А., Королёв В.Я. Исследование возможности использования флокулярной микрофлотации для извлечения ионов цезия из водных растворов с помощью тонкодисперсных ферроцианидных сорбентов // Доповіді Національної академії наук України – 2004. – №12. – С. 139-144. (постановка та проведення експерименту, обговорення результатів досліджень та написання статті).

5. Рулёв Н.Н., Донцова Т.А. Использование тонкодисперсных сорбентов в комбинации с флокулярной микрофлотацией для извлечения Cu2+ и Ni2+ из водных растворов // Химия и технология воды. – 2003. – Т. 25. – №6. – С. 533-540. (постановка та проведення експерименту, обговорення результатів досліджень та написання статті).

6. Артюх Ю.В., Совсимова Т.А. (Донцова Т.А.), Астрелин И.М., Толстопалова Н.М., Складанный Д.Н. Осветление вод порошкообразным коагулянтом, полученным из украинского сырья // Вестник Казанского Технологического Университета. – 2001. – №2. – С. 169-174. (постановка та проведення експерименту, обговорення результатів досліджень та написання статті).

7. Артюх Ю.В., Астрелин И.М., Толстопалова Н.М., Складанный Д.Н., Совсимова Т.А. (Донцова Т.А.). Получение и испытание порошкообразного коагулянта из каолина Веселовского месторождения // Труды Одесского политехнического университета. – Вып. 3(15). – 2001. – С. 297-299. (проведення експерименту, обговорення результатів досліджень та написання статті).

8. Rulyov N.N., Dontsova T.A., Korolyov V.Ya. Water purification from Cs+ by sorption-flocculation-microflotation technology // The Second International Conference “INTERFACES AGAINST POLLUTION”, May 27-30, 2002. – Miskolc-Lillafured, Hungary. – Р. 53 (постановка, проведення експерименту та обговорення результатів досліджень).

9. Rulyov N.N., Dontsova T.A. Pair bonding energy of particles and the optimal regime of the hydrodynamic treatment of a suspension in the flocculation process // XVI European Chemistry at Interfaces Conference, May 14-18, 2002. – Vladimir, Russia. – Р. 130 (постановка, проведення експерименту та обговорення результатів досліджень).

10. Рулев Н.Н., Донцова Т.А., Королев В.Я. Способ извлечения частиц тонкодисперсного сорбента из очищаемой воды ультра-флокуляцией и турбулентной микрофлотацией // Международная конференция “Коллоидные ситемы. Свойства, материалы, применение”, Август-сентябрь 28-1, 2006. – Одесса, Украина (постановка, проведення експерименту та обговорення результатів досліджень).

АНОТАЦІЯ

Донцова Т.А. Виділення тонкодисперсних сорбентів з водних розчинів ультра-флокуляцією і турбулентною мікрофлотацією. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.11 – колоїдна хімія. Інститут біоколоїдної хімії ім. Ф.Д. Овчаренко НАН України, Київ, 2006.

Дисертацію присвячено вивченню колоїдно-гідродинамічних закономірностей процесів ультра-флокуляції і турбулентної мікрофлотації суспензій тонкодисперсних сорбентів на основі глинистих мінералів, гідроксиду алюмінію та фероціанідів міді і нікелю з метою виділення цих сорбентів із очищуваних водних розчинів.

Встановлено, що зменшення розмірів часток сорбенту з 1 мм до 1 мкм зменшує необхідний час сорбційної обробки (з 1-2 годин до 30 секунд) та його витрату і, відповідно, кількість відходів (в 8-10 разів).

Запропоновано експериментальну методику визначення парної енергії зв'язку часток, що базується на вимірі залежності максимального розміру флокул від величини дисипації механічної енергії. Показано, що максимум ефективності флокулярного процесу відповідає максимуму парної енергії зв'язку часток, що залежить від їх природи, а також від типу і дози флокулянта. Визначено оптимальний гідродинамічний режим флокулярного процесу, що складається з жорсткої гідродинамічної обробки (середній градіент швидкості середовища G = 1200-3000 с-1) і наступної поступово спадаючої за інтенсивністю м'якої гідродинамічної обробки (величина G зменьшується від 1000 до 30 с-1). Показано, що в результаті такої обробки швидкість відділення сфлокульованих тонкодисперсних сорбентів від води седиментацією збільшується на 25-50 %, а питомий об'ем осаду зменшується як мінімум у 2 рази.

Запропоновано ефективний спосіб вилучення тонкодисперсних сорбентів з водних розчинів, що базується на методах ультра-флокуляції і турбулентної мікрофлотації.

Ключові слова: тонкодисперсні сорбенти, флокуляція, мікрофлотація, седиментація, водоочищення.

SUMMARY

Dontsova T.A. Separation of fine disperse sorbents from water solution through ultra-flocculation and microflotation – Manuscript.

Thesis presented for validation of the scientific degree of the Candidate in chemistry sciences within the specialization 02.00.11 – chemistry of colloids. F.D. Ovcharenko Institute of the chemistry of biocolloids of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2006.

The thesis studies colloid-hydrodynamic relationships within the process of separation of fine disperse sorbents based on clay minerals, alumina hydroxide and copper ferrocyanides and nickel from water solutions that are purified with application of said sorbents with the help of ultra-flocculation, sedimentation and turbulent microflotation techniques.

It has been found that the decrease of sorbent particles from 1 mm to 1 µm results into shortening of sorption treatment time (from 1-2 hour to 30 s), and sorbent consumption and therefore, amount of generated wastes decreases by 8-10 times.

There has also been proposed the experimental methodology for determining of coupling energy of particles in flocs which is based on measuring dependence of maximum dimensions of flocs on the amount of dissipated mechanical energy. It has been shown that the maximum efficiency of floccular process is in correspondence with the maximum of the coupling energy of particles, which, in its turn, depend on its nature, type and quantity of the flocculent. We have also defined the optimal hydrodynamic treatment mode of the suspension in the process of flocculation, which involves vigorous hydrodynamic treatment (average medium velocity gradient - G = 1200-3000 s-1) and subsequent mild hydrodynamic treatment decreasing in intensity in a stepped mode (the value of G decreases from от 1000 до 30 s-1). We have shown that due to application of this treatment the rate of separation of flocculated fine disperses sorbents from water by sedimentation increases by 25-50 %, and specific volume of watered sediment decreases by 2 times.

We have proposed the efficient method for separating fine disperse sorbents from water solution, which are purified with the help of these sorbents, which comprises the series of ultra-flocculation, sedimentation and turbulent microflotation steps.

Key words: fine disperse sorbents, flocculation, microflotation, sedimentation, water purification.

АННОТАЦИЯ

Донцова Т.А. Извлечение тонкодисперсных сорбентов из водных растворов ультра-флокуляцией и турбулентной микрофлотацией. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата химических наук по специальности 02.00.11 – коллоидная химия. Институт биоколлоидной химии НАН Украины, Киев, 2006.

Диссертация посвящена изучению коллоидно-гидродинамических закономерностей процессов ультра-флокуляции и турбулентной микрофлотации суспензий тонкодисперсных сорбентов на основе глинистых минералов, гидроксида алюминия и ферроцианидов меди и никеля с целью выделения этих сорбентов из очищаемых водных растворов.

Изучено влияние размера частиц клиноптилолита на сорбцию ионов меди и никеля из водных растворов. Показано, что уменьшение размеров частиц сорбента с 1 мм до 1 мкм значительно уменьшает время процесса сорбции (с 1-2 часов до 30 секунд). Также обнаружено, что удельный расход тонкодисперсного (< 1 мкм) сорбента, необходимого для извлечения ионов меди и никеля, в 8-10 раз меньше, чем среднедисперсного (20-40 мкм).

Исследован процесс сорбции ионов цезия из водных растворов чистыми тонкодисперсными ферроцианидными сорбентами. Полученные данные открывают возможность использования ферроцианидов, синтезируемых непосредственно в обрабатываемом растворе путем введения соответствующих количеств исходных реактивов.

Предложена экспериментальная методика определения парной энергии связи частиц, входящих в состав флокулы, сформированной в сильно неоднородном турбулентном потоке, которая базируется на измерении зависимости максимального размера флокул от величины диссипации механической энергии. Рассчитаные по этой методике значения энергии связи для частиц гидроксида алюминия, ферроцианидов никеля и меди, Na-бейделлита и стеклянных шариков на три-четыре порядка превосходят энергию связи, которую могут обеспечить дисперсионные силы.

Найдено, что с увеличением удельной энергии связи частиц пористость флокул увеличивается, что, скорее всего, обусловлено снижением гибкости или подвижности контактов частиц, мешающим их компактированию в процессе формирования флокул в неоднородном гидродинамическом поле.

Исследование процесса флокуляции водных суспензий гидроксида алюминия, ферроцианидов никеля и меди и Na-бейделлита в неоднородном гидродинамическом поле показали, что максимум эффективности флокулярного процесса соответствует максимуму парной энергии связи частиц, которая зависит от их природы, а также от типа и количества флокулянта.

Изучены закономерности влияния гидродинамического режима обработки на процесс флокуляции водных суспензий гидроксида алюминия, ферроцианидов и Na-бейделлита. Определен оптимальный гидродинамический режим флокулярного процесса, который состоит из жесткой гидродинамической обработки, характеризуемой градиентом скорости среды G = 1200-3000 с-1, и последующей ступенчато убывающей по интенсивности (величина G уменьшается от 1000 до 30 с-1) мягкой гидродинамической обработки. При этом скорость отделения сфлокулированных тонкодисперсных сорбентов от воды седиментацией увеличивается на 25-50 %, а удельный объем обводненного осадка уменьшается как минимум в 2 раза.

Установлено, что применение кратковременных сильнонеоднородных гидродинамических полей позволяет получать более плотные и компактные флокулы. Показано, что в процессе ультра-флокуляции расход флокулянта на 30-50 % меньше, чем при обычной флокуляции с небольшими градиентами скорости среды.

На основании полученных данных предложен эффективный способ извлечения тонкодисперсных сорбентов из водных растворов, который базируется на сочетании методов ультра-флокуляции и турбулентной микрофлотации.

Ключевые слова: тонкодисперсные сорбенты, флокуляция, микрофлотация, седиментация, водоочистка.

Поліграфічна дільниця

Інституту металофізики ім.. Ф.Д. Курдюмова НАН України.

Україна, 03680 МСП, бульв. Академіка Вернадського, 36