Przez: Kate
Email:kate@aquasust.com
Data: 13 listopada 2024 r
Działalność przemysłowa i domowa pochłania ogromne ilości zasobów wody i generuje znaczną ilość ścieków, co prowadzi do problemów związanych z niedoborem wody i pogarszaniem się jej jakości w wielu krajach. Dlatego osiągnięcie wolnego od zanieczyszczeń oczyszczania i recyklingu ścieków jest pilnym problemem, którym należy się zająć. Metoda koagulacji i sedymentacji jest prosta w obsłudze i opłacalna, szeroko stosowana w oczyszczaniu ścieków przemysłowych. Powszechnie stosowane koagulanty można podzielić na trzy główne kategorie: koagulanty nieorganiczne, koagulanty polimerowe organiczne i koagulanty mikrobiologiczne. Wśród nich obecnie najczęściej stosowane są tanie koagulanty nieorganiczne, natomiast najlepsze efekty lecznicze wykazują koagulanty organiczne. Koagulanty mikrobiologiczne znajdują się wciąż w fazie badań laboratoryjnych. Rozwój wydajnych, bezpiecznych i ekonomicznych nowych koagulantów kompozytowych jest głównym trendem przyszłości rozwoju koagulantów.
Klasyfikacja koagulantów
Najbardziej powszechnie akceptowany mechanizm koagulacji obejmuje dwa procesy: koagulację i flokulację. Proces koagulacji odnosi się do destabilizacji cząstek koloidalnych i tworzenia małych agregatów; proces flokulacji polega na tym, że te małe agregaty łączą się ze sobą pod wpływem koagulantu, tworząc większe kłaczki. Do podstawowych mechanizmów działania koagulantów zalicza się kompresję podwójnej warstwy elektrycznej, efekt mostkowania adsorpcyjnego oraz flokulację zamiatającą, które destabilizują cząstki koloidalne w wodzie, prowadząc do ich agregacji i osiadania, uzyskując w ten sposób efekt flokulacji. Powszechnie stosowane koagulanty można podzielić na trzy główne kategorie: koagulanty nieorganiczne, koagulanty polimerowe organiczne i koagulanty mikrobiologiczne.
01 Nieorganiczne koagulanty
Zasada działania koagulantów nieorganicznych obejmuje kompresję podwójnej warstwy elektrycznej i neutralizację ładunku. Koagulanty tworzą w ściekach przeciwjony, które ściskają podwójną warstwę elektryczną, co powoduje spadek potencjału zeta koloidów, powodując zanik warstwy hydratacyjnej na powierzchni, destabilizując koloidy. Następnie naładowane cząstki koloidalne agregują w wyniku oddziaływań międzycząsteczkowych i sił elektrostatycznych, tworząc duże, gęste kłaczki.
Koagulanty nieorganiczne można klasyfikować w oparciu o różne kryteria: ze względu na skład anionowy można je podzielić na oparte na siarczanach i chlorkach; według masy cząsteczkowej można je podzielić na wysokocząsteczkowe i niskocząsteczkowe; a według rodzaju soli metali można je podzielić na sole żelaza (takie jak chlorek żelaza, siarczan żelaza i siarczan żelaza) i sole glinu (takie jak siarczan glinu, siarczan glinu potasu i glinian sodu).
Kłaczki utworzone przez sole żelaza są duże i gęste, wymagają mniejszego dozowania i dobrze sprawdzają się w niskich temperaturach w szerokim odpowiednim zakresie pH (od 5,0 do 11). Jednakże sole żelaza mogą powodować korozję sprzętu, co wymaga ścisłego monitorowania stanu sprzętu i rurociągów podczas użytkowania. Sole glinu mają krótszy czas osiadania i mniejszą barwę po obróbce, ale ich skuteczność w dużym stopniu zależy od pH. Ponadto wysoki poziom pozostałości Al³⁺ w wodzie może prowadzić do wtórnego zanieczyszczenia, potencjalnie powodując chorobę Alzheimera i anemię po przedostaniu się do organizmu człowieka, dlatego należy zachować szczególną ostrożność, aby uniknąć wtórnego zanieczyszczenia.
Te koagulanty o niskiej masie cząsteczkowej są niedrogie i powszechnie dostępne, ale wiążą się z nimi problemy, takie jak duże ilości stosowane, znaczna produkcja osadu i słaba skuteczność. Dlatego następuje stopniowe przechodzenie od niskocząsteczkowych koagulantów nieorganicznych do wysokocząsteczkowych. Obecnie powszechnie stosowane wielkocząsteczkowe koagulanty nieorganiczne obejmują polimeryczne koagulanty aluminiowe, polimeryczne koagulanty żelazowe, koagulanty z reaktywną krzemionką i koagulanty kompozytowe. Ich działanie opiera się przede wszystkim na efekcie mostkującym, wykazując zalety, takie jak mniejsza wrażliwość na pH i temperaturę, stabilne efekty adsorpcji, niższe dawkowanie i mniej pozostałości koloru. W ostatnich latach skala produkcji wysokocząsteczkowych koagulantów nieorganicznych stopniowo wzrasta, stanowiąc 80% całkowitej produkcji koagulantów, szczególnie wykazując znaczące efekty w oczyszczaniu ścieków o dużym zmętnieniu.
02 Organiczne koagulanty polimerowe
Zasada działania koagulantów organicznych obejmuje przede wszystkim:
(1)adsorpcja cząstek koloidalnych poprzez wiązania wodorowe, oddziaływania elektrostatyczne i siły van der Waalsa;
(2) segmenty łańcucha polimeru ułatwiają osadzanie cząstek poprzez mostkowy mechanizm adsorpcji. W porównaniu do koagulantów nieorganicznych, koagulanty z polimerów organicznych mają takie zalety, jak lepsza skuteczność oczyszczania, krótszy czas flokulacji, przydatność do niskich temperatur, szeroki zakres pH i mniejsze wytwarzanie osadu.
Organiczne koagulanty polimerowe można podzielić na dwie kategorie: koagulanty z naturalnych modyfikowanych polimerów i koagulanty z polimerów syntetycznych. Syntetyczne koagulanty polimerowe mają kontrolowaną i stosunkowo wysoką masę cząsteczkową oraz mogą wprowadzać większą liczbę grup funkcyjnych do segmentów łańcucha, zapewniając doskonałe efekty flokulacji. Obecnie najbardziej reprezentatywnym syntetycznym koagulantem polimerowym na rynku chińskim jest poliakryloamid (PAM) i jego pochodne, które stanowią 80% całego rynku.
W przeciwieństwie do polimerów syntetycznych, które charakteryzują się wysokimi kosztami produkcji i toksycznością dla środowiska, naturalne modyfikowane koagulanty polimerowe mają zalety, takie jak szeroka dostępność, niższe koszty, bezpieczeństwo, nietoksyczność i konfigurowalne właściwości molekularne. Naturalne modyfikowane koagulanty polimerowe obejmują głównie pochodne skrobi, chitozan, celulozę, gumę guar i inne gumy, białka i algi pochodzenia roślinnego, z których wszystkie mogą pochodzić z roślin i zwierząt.
Na przykład modyfikowane cząsteczki skrobi mogą osiągnąć doskonałe efekty flokulacji; kationowa eteryczna skrobia i jej pochodne mogą skutecznie flokulować ujemnie naładowane cząstki, podczas gdy rozgałęzione struktury skrobi mają silne działanie flokulacyjne na jony metali ciężkich, takich jak miedź, rtęć i ołów. Kopolimery szczepione skrobi kopolimeryzowane z innymi monomerami mogą również skutecznie usuwać jony metali ciężkich. Modyfikację chitozanu można osiągnąć metodami takimi jak szczepienie, estryfikacja, sieciowanie i alkilowanie. Różne rodzaje naturalnych koagulantów polimerowych mogą uzyskać szereg pożądanych właściwości poprzez modyfikację chemiczną i modyfikację w celu zaspokojenia potrzeb praktycznej produkcji i życia codziennego.
03 Flokulanty mikrobiologiczne
Flokulanty mikrobiologiczne to produkty o dużej masie cząsteczkowej i biomasa powstająca w wyniku wzrostu i metabolizmu określonych hodowanych mikroorganizmów na pewnym etapie. Mogą powodować agregację i sedymentację cząstek stałych zawieszonych w ściekach, osiągając w ten sposób cel oczyszczania zbiorników wodnych. Flokulanty mikrobiologiczne mają szeroką gamę źródeł i są opłacalne; na ogół składają się z polisacharydów, białek, łańcuchów DNA, glikoprotein i poliaminokwasów. Mogą ulegać naturalnej degradacji, nie powodując wtórnego zanieczyszczenia.
Istnieje wiele mikroorganizmów zdolnych do wytwarzania flokulantów, które można łatwo uprzemysłowić poprzez projektowanie tras. Jednakże badania nad flokulantami mikrobiologicznymi w Chinach są nadal ograniczone, a obecne badania prowadzone są głównie na poziomie laboratoryjnym, dalekim od osiągnięcia produkcji przemysłowej.
Perspektywy rozwoju flokulantów
Flokulanty mają szerokie zastosowanie w oczyszczaniu ścieków, skutecznie usuwając różne zawieszone lub rozpuszczalne zanieczyszczenia, jony metali, bakterie, wirusy i inne zanieczyszczenia. Pomagają w odtlenieniu, odbarwieniu i usunięciu fosforu, co skutkuje niezanieczyszczającym i zasobooszczędnym oczyszczaniem ścieków. Wraz z ciągłym postępem badań rodzaje flokulantów stosowanych w oczyszczaniu ścieków w Chinach uległy zmianie z niskocząsteczkowych flokulantów nieorganicznych na flokulanty organiczne o dużej masie cząsteczkowej oraz z flokulantów pojedynczych na flokulanty złożone, dążąc do wydajności, opłacalności i przyjazności dla środowiska.
W porównaniu do flokulantów nieorganicznych i szeroko stosowanych syntetycznych flokulantów wysokocząsteczkowych, naturalne flokulanty wielkocząsteczkowe mają wyraźne zalety, takie jak szeroka dostępność, niski koszt, bezpieczeństwo, nietoksyczność i przyjazność dla środowiska. Ścieki przemysłowe mają często dużą objętość, złożony skład i składają się ze stabilnych dyspersji; w związku z tym pojedynczy flokulant może nie usunąć skutecznie wszystkich składników.
Ostatnio pojawiła się tendencja do stosowania flokulantów kompozytowych nieorganiczno-organicznych i nieorganiczno-mikrobiologicznych, wykorzystując synergistyczne działanie flokulantów nieorganiczno-organicznych. Po pierwsze, nieorganiczne flokulanty neutralizują ładunki i agregują zanieczyszczenia w duże skupiska molekularne, a następnie organiczne flokulanty wielkocząsteczkowe wychwytują te skupiska poprzez działanie pomostowe w celu skutecznej sedymentacji. Zastosowanie nieorganicznych flokulantów może zmniejszyć ilość potrzebnych flokulantów organicznych, osiągając optymalne wyniki przy niższych kosztach. Jednakże określone receptury i dawki muszą być stale testowane w zależności od rodzaju ścieków.
Obecnie powszechnie stosowane są flokulanty kompozytowe chlorek glinu-poliakryloamid, które wykazują dobrą skuteczność; stwarzają one jednak pewne ryzyko dla środowiska. Przyszłe badania mogłyby skoncentrować się na połączeniu nieorganicznych flokulantów na bazie krzemionki polimerowej z naturalnymi organicznymi flokulantami wielkocząsteczkowymi w celu zwiększenia przyjazności dla środowiska. Jeśli uda się osiągnąć przemysłową produkcję flokulantów mikrobiologicznych, nieorganiczno-mikrobiologiczne złożone systemy flokulantów powinny również dawać doskonałe wyniki oczyszczania.
Pogorszenie jakości wody w wyniku działalności produkcyjnej człowieka sprawiło, że niepowodujące zanieczyszczeń i zasobooszczędne oczyszczanie ścieków stało się pilną kwestią. Zastosowanie odpowiednich metod i środków flokulacyjnych pozwala osiągnąć doskonałe wyniki oczyszczania przy niskich kosztach. Obecnie flokulanty przekształciły się z niskocząsteczkowych na wysokocząsteczkowe oraz z jednorodzajowych na kompozytowe, skutecznie usuwając zawieszone i rozpuszczone zanieczyszczenia, metale ciężkie i barwniki ze ścieków.