Даниловская Л. П. / Лекция 15. Применение коагуляции в технике

седиментации Лекция 15 КХ.

Тема лекции: « Применение коагуляции в технике».

Содержание темы: «Использование метода коагуляции при водоподготовке природных и очистке сточных вод. Проявление коагуляции в природе, в быту и в медицине».

Методы коагуляции широко распространены в природе и в медицине. Они применяются также как одна из стадий при подготовке воды для бытовых и технических нужд, для очистки сточных вод предприятий химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной, легкой, текстильной и других отраслей промышленности.

Коагуляция в процессах водоподготовки.

В природных водах, служащих источником водоснабжения различных промышленных предприятий, всегда содержится некоторое количество примесей. Ими могут быть частицы песка, глины, других неорганических соединений, а также органические остатки недоразложившихся растений и животных. Органические примеси создают в основном коллоидные системы. Как правило, их частицы несут на себе отрицательный заряд.

Наличие органических коллоидов в воде затрудняет некоторые процессы подготовки воды для паросиловых установок, а также и процессы самой генерации пара.

В связи с этим водоподготовка предусматривает удаление коллоидных примесей из природных вод. Удаление их фильтрованием воды через какие-либо механические фильтры невозможно, так как размеры коллоидных частиц слишком малы. Поэтому их удаляют коагуляцией.

Коагуляция осуществляется под влиянием добавляемых к воде специальных веществ  коагулянтов. В качестве коагулянтов используют сульфаты, хлориды железа или алюминия. Эти соли, растворяясь в воде, подвергаются гидролизу с образованием труднорастворимых гидроксидов, например, гидроксида железа: FeCl₃ + 3Н₂О Fe (ОН)₃ + 3НСl.

В процессе образования гидроксидов появляются растворы, коллоидные частицы которых имеют положительный заряд. Ниже представлена мицелла золя гидроксида железа, коллоидная частица которого имеет заряд 3х+.

Строение мицеллы коллоидного раствора гидроксида железа Fe(OH)₃.

{[mFe(OH)₃ nFe³⁺ 3(n – x)Cl^{- .} yH₂O]^3x+ + 3xCl^{- .} zH₂O}⁰

коллоидная частица

мицелла

В тоже время, заряд органических частиц примесей природной воды обратный, т.е. отрицательный.

В результате осуществляется процесс взаимной коагуляции: при взаимодействии двух коллоидных систем происходит уменьшение заряда, дегидратация, и, наконец, укрупнение частиц. Образующиеся при этом рыхлые крупные хлопья - агрегаты могут быть легко удалены из воды с помощью отстаивания или фильтрования. Этот процесс коагуляции является фактически гетерокоагуляцией.

При подготовке природной воды для бытовых нужд в результате коагуляции удаляются как взвешенные частицы примесей, так и бактерии. Одновременно устраняются мутность и цветность воды, снижается привкус и запах.

Коагуляция при очистке сточных вод

 Производственные сточные воды в большинстве случаев представляют собой слабоконцентрированные эмульсии и (или) суспензии, содержащие коллоидные частицы размером 0,001 - 0,1 мкм, мелкодисперсные частицы размером 0,1 - 10 мкм, а также частицы размером 10 мкм и более.

 Коагуляцию при очистке сточных вод применяют для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ, обладающих агрегативной устойчивостью.

При коагуляции происходит укрупнение мельчайших коллоидных и диспергированных веществ вследствие их взаимного слипания под действием сил молекулярного притяжения. (Заряды слипающихся частиц противоположны). Завершается этот процесс отделением агрегатов слипшихся частиц от жидкой фазы воды путем седиментационного осаждения частиц.

В качестве коагулянтов используют в основном соли алюминия и железа – сульфаты и хлориды. При введении в очищаемую воду коагулянтов, например, Al₂(SO₄)₃ , происходит диссоциация и гидролиз:

2Al³⁺ + 3SO₄^2- + 6HO = 2Al (OH)₃ + 6H⁺ + 3SO₄^2-

Образующиеся гидроксиды алюминия (или железа) представляют собой коллоидные системы. Они сорбируют своей развитой хлопьевидной поверхностью взвешенные в воде мелкодисперсные и коллоидные загрязнения, а также бактерии, гуминовые вещества и даже ионы тяжелых металлов.

На процесс коагуляции влияют: рН, ионный состав воды, выбор коагулянта, температура, условия перемешивания и др.

Для стабилизации и интенсификации процессов очистки воды с помощью коагулянтов к последним добавляют специальные вещества – флокулянты. В качестве флокулянтов используют высокомолекулярные вещества, хорошо растворимые в воде, такие как крахмал, белковые гидролизные дрожки, но чаще всего синтетические вещества, в частности, полиакриламид. Использование флокулянтов позволяет снизить дозы коагулянтов, уменьшить продолжительность коагулирования, повысить скорость осаждения образующихся хлопьев.

Примеры коагуляции дисперсных систем.

Пример 1.

При сливании чернил (или красок) различного цвета вместо промежуточного оттенка краски можно получить мутную воду и грязные хлопья. Это объясняется тем, что коллоидные частицы краски, в зависимости от химического состава ее пигмента, могут иметь разный заряд. При смешивании такие частицы могут нейтрализовать свои заряды и образовать хлопья осадка.

Пример 2.

Образование дельты в устье реки. Речные воды взмучивают осадки со дна реки и несут в своем течении мелкие взвеси и коллоидные частицы. Все эти частицы заряжены, как правило, отрицательно. Когда река впадает в море, то в устье реки на принесенных течением заряженных частицах адсорбируются катионы солей, содержащихся в морской воде. Они компенсируют часть заряда коллоидных частиц и взвесей, что приводит к коагуляции и далее к незамедлительной седиментации образовавшихся осадков. Так образуются дельты рек, где на дне моря скапливается много илистых осадков, а также возникают острова и мели.

Пример 3.

При замерзании раствора туши на долю коллоидных частичек сажи (С- углерода) остается все меньше и меньше жидкого растворителя – воды. Частички сажи теснят друг друга, сильно сближаются, объединяются и коагулируют. Результат - в емкости на дне – комочки сажи, сверху – вода. Тушь испорчена, процесс необратим.

Пример 4 .

Денатурация белков  (лат. denaturatus — лишённый природных свойств; от de- — приставка, означающая отделение, удаление + natura — природа, естество) — изменение нативной конформации белковой молекулы под действием различных дестабилизирующих факторов. Аминокислотная последовательность белка не изменяется. Денатурация приводит к потере белками их естественных свойств (растворимости, гидрофильности и др.). Процесс денатурации отдельной белковой молекулы, приводящий к распаду её «жёсткой» трёхмерной структуры, иногда называют плавлением молекулы.

Растворы белков являются коллоидами и при нагревании свертываются (коагулируют). Свертывание—свойство, общее для всех белков, хотя температура коагуляции у разных белков различна. Так, у наиболее чувствительных к нагреванию белков свертывание  происходит уже около 56°.

Механизмы денатурации. Практически любое заметное изменение внешних условий, например, нагревание или существенное изменение pH приводит к последовательному нарушению структур белка. Обычно денатурация вызывается повышением температуры, действием сильных кислот и щелочей, солей тяжёлых металлов, некоторых растворителей (спирт), радиации и др.

Денатурация часто приводит к тому, что в коллоидном растворе белковых молекул происходит процесс агрегации частиц белка в более крупные. Визуально это выглядит, например, как свертывание белка при жарке яиц.

Пример 5.

Коагуляция (свертываемость) крови.

Коагуляция (гемокоагуляция, свертываемость крови)   — сложный поэтапный процесс, который представляет собой образование белка фибрина в крови. Этот процесс приводит к образованию  тромбов, в результате кровь обретает творожистую консистенцию и теряет текучесть. Таким образом, данная цепочка процессов представляет собой природную защиту организма от потери больших объемов крови в результате ран и других нарушений целостности кожи, слизистых и т.д.

Когда происходит процесс разрушения стенки кровеносного сосуда, у места травмы собираются тромбоциты, выделяющие тромбопластин, который вместе с протромбином, кальцием и витамином К способствует образованию фибрина. В результате образуются сети фибрина, которые задерживают форменные элементы крови. Такой сгусток называется тромбом, а сам процесс коагуляции занимает около 5 минут.

Коагулограмма - анализ свертываемости (коагуляции) крови, проводимый в лабораторных условиях. Он позволяет определить механизм свертываемости крови, необходимый при лечении многих заболеваний.

Антикоагулянты – это препараты, — химические вещества и лекарственные средства, которые, уменьшая свертываемость крови, снижают риск образования опасных сгустков крови в кровеносных сосудах и сердце или растворяют существующие сгустки крови. Антикоагулянты, таким образом, оказывают влияние на различные звенья процесса свёртывания крови. Их выпускают в форме таблеток, капсул, мазей, кремов, гелей и инъекций.

Вопросы 1 - 8 для самоконтроля к лекции 15 КХ.

Тема лекции: « Применение коагуляции в технике»

1. Охарактеризуйте состав примесей, которые содержатся в природных водах, являющихся источниками водоснабжения.

2. Опишите механизм действия коагулянтов, используемых для очистки сточных вод.

3. Можно ли методом коагуляции удалить из сточной воды грубодисперсные примеси?

4. Какой состав имеют флокулянты и с какой целью их применяют?

5. Почему в устье реки образуются острова и мели?

6. При каких условиях происходит денатурация белков? Допустимо ли долгое время не сбивать температуру у нездорового человека?

7. Какую роль играет гемокоагуляция для защиты живого организма от потери больших объемов крови?

8. С какой целью при лечении больных с Covid-19 используют антикоагулянты?