Способ определения агрегирующей способности флокулянта или коагулянта и устройство для его осуществления

 

Использование: изобретение относится к области отделения взвешенных твердых частиц от жидкостей путем осаждения с использованием флокулянтов или коагулянтов и может быть использовано в очистке промышленных стоков. Сущность изобретения: способ включает введение в дисперсную систему агрегирующего агента, перемешивание полученной смеси при градиентах скорости движения жидкости 10⁴ - 10⁶ с^-1, пропускание последовательно через две фотометрические ячейки моющего раствора, дисперсной системы, содержащей агрегирующий агент и параллельно - через одну ячейку дисперсную систему, содержащую агрегирующий агент, через другую - дисперсную систему, содержащую агрегирующий агент и предварительно перемешанную, а также измерение разности светопропускающих способностей заполненных ячеек и вычисление значения агрегирующей способности η по формуле h = (V_m- V_c)/(V_n- V_c), где V_m - разность светопропускающих способностей, когда одна фотометрическая ячейка заполнена дисперсной системой, содержащей агрегирующий агент, а другая - дисперсной системой, содержащей агрегирующий агент и подвергнутой предварительному перемешиванию; V_c - разность светопропускающих способностей, когда обе ячейки заполнены дисперсной системой, содержащей агрегирующий агент; V_n - разность светопропускающих способностей, когда одна фотометрическая ячейка заполнена дисперсной системой, содержащей агрегирующий агент, другая - моющим раствором. Устройство для реализации способа включает узел подачи дисперсной системы и агрегирующего агента, узел подачи моющего раствора, емкость для перемешивания, выполненную в виде цилиндра с установленным в нем соосно цилиндром с возможностью вращения, две фотометрические ячейки, два гидродинамических коммутатора и пузырьковый фильтр. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к отделению взвешенных твердых частиц от жидкостей путем осаждения с использованием флокулянтов или коагулянтов и может быть использовано в очистке промышленных стоков или в химической технологии при определении агрегирующей способности флокулянта или коагулянта.

Известен способ определения агрегирующей способности флокулянта или коагулянта, включающий кратковременное перемешивание дисперсной системы и агрегирующего агента флокулянта или коагулянта (Цурюпа Н.Н. Практикум по коллоидной химии. М. Высшая школа, 1963, с. 125 127). Перемешивание осуществляют при градиентах скорости движения жидкости менее 1000 с^-1, затем отстаивают полученную суспензию и измеряют светопропускающую способность сфлокулированной или скоагулированной суспензии. Относительная погрешность определения 25 50% Недостатками этого способа являются низкая точность и длительность определения агрегирующей способности флокулянта или коагулянта. Полагаем, что эти недостатки обусловлены необходимостью отстаивания суспензии в течение длительного времени (6 24 ч) и тем, что при отстаивании на процесс реагентного агрегирования накладывается процесс седиментационного агрегирования, что приводит к завышению истинного значения агрегирующей способности флокулянта или коагулянта.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ определения агрегирующей способности флокулянта или коагулянта, выбранный в качестве прототипа, включающий введение в дисперсную систему агрегирующего агента - флокулянта или коагулянта, перемешивание полученной смеси при градиентах скорости движения жидкости менее 1000 с^-1, пропускание ее через трубопровод диаметром 1 мм и фотометрическую ячейку, измерение светопропускающей способности фотометрической ячейки и вычисление агрегирующей способности флокулянта или коагулянта (Gregory J. Polymer adsoration and floculation in sheared suspersions. Colloids and surfaces. 1987. V. 11. P. 102 111). Значение агрегирующей способности определяют как относительную среднеквадратичную флюктуацию светопропускающей способности по формуле где R относительная среднеквадратичная флюктуация светового потока, проходящего через фотометрическую ячейку при пропускании через нее дисперсной системы, содержащей агрегирующий агент после перемешивания; среднеквадратичная флюктуация светового потока; I среднее значение пропускаемого светового потока.

Недостатками этого способа являются низкая точность и длительность определения агрегирующей способности флокулянта или коагулянта. Длительность определения обусловлена необходимостью пропускания дисперсной системы и агрегирующего агента после перемешивания через длинный тонкий трубопровод, так как при низких градиентах скорости движения жидкости при перемешивании образуется малое число агрегатов из-за недостатка числа столкновений частиц дисперсии между собой и с молекулами агрегирующего агента в единицу времени. При прохождении через длинный тонкий трубопровод число столкновений агрегатов несколько увеличивается. Низкая точность определения агрегирующей способности обусловлена также низким уровнем неоднородности скорости жидкости при перемешивании дисперсной системы и агрегирующего агента, в результате чего образуется малое число агрегатов и, кроме того, невысокой точностью измерения светопропускающей способности из-за загрязнений окон ячейки в процессе измерения. Особенно эти недостатки проявляются при определении агрегирующей способности флокулянта или коагулянта для низкоконцентрированных суспензий (менее 100 мг/л), для которых этот способ практически непригоден (время определения 0,5 2,0 мин, относительная погрешность определения агрегирующей способности 30 50%).

Известно устройство для определения агрегирующей способности флокулянта или коагулянта, содержащее емкость для перемешивания дисперсной системы и агрегирующего агента флокулянта или коагулянта, снабженную мешалкой, емкость для отстаивания и фотометрическую ячейку для измерения светопропускающей способности отстоявшейся суспензии (Цурюпа Н.Н. Практикум по коллоидной химии. М. Высшая школа, 1963, с. 125 127). Устройство работает следующим образом. Емкость для перемешивания заполняется дисперсной системой, в которую добавляется агрегирующий агент. После перемешивания, обеспечивающего градиент скорости движения жидкости менее 10³ с^-1, дисперсная система отстаивается в течение 6 24 ч в емкости для отстаивания. Затем верхний слой суспензии сливается и помещается в фотометрическую ячейку для измерения ее светопропускающей способности. Недостатками данного устройства являются длительность и низкая точность определения агрегирующей способности флокулянта или коагулянта. Время определения агрегирующей способности занимает 6 24 ч, относительная погрешность определения 25 50% Наиболее близким к заявляемому является устройство для определения агрегирующей способности флокулянта или коагулянта, реализующее способ по прототипу (Gregory J. Polymer adsorption and floculation in sheared suspensions. Colloids and surfaces. 1987. V. 11. P. 102 111). Устройство содержит узел подачи дисперсной системы и агрегирующего агента флокулянта или коагулянта, емкость для перемешивания дисперсной системы и агрегирующего агента, длинный трубопровод диаметром 1,0 мм и фотометрическую ячейку, связанные между собой соединительными трубопроводами. Причем длинный тонкий трубопровод (длина 2,0 м, диаметр 1,0 мм) расположен между емкостью для перемешивания и фотометрической ячейкой. В емкости для перемешивания установлена лопастная мешалка. Устройство работает следующим образом. Дисперсная система и агрегирующий агент подаются с помощью узла подачи в емкость для перемешивания и перемешиваются в течение 0,5 2,0 мин с помощью лопастной мешалки, обеспечивающей градиент скорости движения жидкости 10³ с^-1. Затем суспензия проходит по длинному трубопроводу и попадает в фотометрическую ячейку, где измеряется ее светопропускающая способность. Недостатки этого устройства те же, что и в способе по прототипу - низкая точность и длительность определения агрегирующей способности флокулянта или коагулянта. Эти недостатки обусловлены конструктивным выполнением устройства, обеспечивающего перемешивание жидкости при невысоких градиентах скорости ее движения, что замедляет процесс образования агрегатов. Увеличение скорости вращения лопастной мешалки с целью интенсификации процесса флокуляции или коагуляции приводит к деградации флокулянта или к разрушению агрегатов. Кроме того, точность определения снижается за счет загрязнения окон ячейки при пропускании дисперсной системы, содержащей агрегирующий агент через одну фотометрическую ячейку.

Задача изобретения создание такого способа определения агрегирующей способности флокулянта или коагулянта и устройства для реализации способа, в котором последовательность выполнения действий пропускания моющего раствора, дисперсной системы с агрегирующим агентом до перемешивания и после него при определенных градиентах скорости движения жидкости согласно предложенной схеме через две фотометрические ячейки позволят ускорить процесс образования агрегатов частиц и свести к минимуму эффект, связанный с загрязнением фотометрической ячейки, что приводит к повышению точности и скорости определения агрегирующей способности.

Задачей изобретения является также создание устройства для реализации способа определения агрегирующей способности флокулянта или коагулянта, в котором дополнительные элементы вторая фотометрическая ячейка, гидродинамические коммутаторы, пузырьковый фильтр, связанные в определенной последовательности, специальное выполнение емкости для перемешивания - позволят реализовать способ с ускорением процесса образования агрегатов частиц и существенно снизить загрязнение фотометрической ячейки, что приведет к повышению точности и скорости определения агрегирующей способности флокулянта или коагулянта.

Поставленная задача решается предложенным способом определения агрегирующей способности флокулянта или коагулянта, включающим введение в дисперсную систему агрегирующего агента, перемешивание полученной смеси, пропускание ее через фотометрическую ячейку с одновременным измерением светопропускающей способности и вычисление агрегирующей способности, в котором последовательно пропускают моющий раствор и дисперсную систему, содержащую агрегирующий агент, через две фотометрические ячейки, а затем через одну ячейку пропускают дисперсную систему, содержащую агрегирующий агент, и параллельно ей через вторую ячейку пропускают дисперсную систему, содержащую агрегирующий агент и подвергнутую предварительному перемешиванию, причем перемешивание проводят при градиентах скорости движения жидкости 10⁴ - 10⁶ с^-1, а значение агрегирующей способности вычисляют по формуле η = (V_m- V_c)/(V_n- V_c),
где η значение агрегирующей способности;
V_m разность светопропускающих способностей фотометрических ячеек, когда одна фотометрическая ячейка заполнена дисперсной системой, содержащей агрегирующий агент, а вторая дисперсной системой, содержащей агрегирующий агент и подвергнутой перемешиванию;
V_c разность светопропускающих способностей фотометрических ячеек, когда обе ячейки заполнены дисперсной системой, содержащей агрегирующий агент;
V_n разность светопропускающих способностей фотометрических ячеек, когда одна фотометрическая ячейка заполнена дисперсной системой, содержащей агрегирующий агент, а вторая моющим раствором.

Поставленная задача решается также устройством для определения агрегирующей способности флокулянта или коагулянта, включающем узел подачи дисперсной системы и агрегирующего агента флокулянта или коагулянта, емкость для перемешивания дисперсной системы, содержащей агрегирующий агент, фотометрическую ячейку и соединительные трубопроводы, которое дополнительно снабжено второй фотометрической ячейкой и двумя гидродинамическими коммутаторами, каждый из которых оборудован двумя входами и одним выходом, причем выход каждого гидродинамического коммутатора соединен с входом соответствующей фотометрической ячейки, и один вход первого гидродинамического коммутатора, связанного с первой фотометрической ячейкой, соединен трубопроводом с узлом подачи моющего раствора, другой его вход трубопроводом с узлом подачи дисперсной системы и агрегирующего агента, один вход второго гидродинамического коммутатора, связанного с второй фотометрической ячейкой, соединен с выходом первой фотометрической ячейки и другой его вход соединен трубопроводом с емкостью для перемешивания дисперсной системы и агрегирующего агента. Емкость для перемешивания выполнена в виде цилиндра с установленным в нем соосно цилиндром, имеющим возможность вращения. На трубопроводе, соединяющем емкость для перемешивания с вторым входом второго гидродинамического коммутатора, установлен пузырьковый фильтр.

Перемешивание дисперсной системы и агрегирующего агента при градиентах скорости движения 10⁴ 10⁵ с^-1 в емкости, выполненной в виде цилиндра с установленным в нем соосно вращающимся цилиндром, как определено, ускоряет процесс агрегирования дисперсии, а предложенная схема пропускания моющего раствора, смеси дисперсной системы и агрегирующего агента до перемешивания и после него через две фотометрические ячейки позволяют учитывать мутность дисперсной системы по отношению к прозрачному раствору и изменение оптических характеристик фотометрической ячейки в ходе измерения. Благодаря этому повышаются точность и скорость определения агрегирующей способности флокулянта или коагулянта.

На чертеже представлена схема устройства для реализации способа определения агрегирующей способности флокулянта или коагулянта.

Устройство состоит из узла подачи дисперсной системы и агрегирующего агента 1, узла подачи моющего раствора 2, соединенного с гидродинамическим коммутатором 3 через входной патрубок 4, а узел подачи дисперсной системы и агрегирующего агента 1 соединен с входным патрубком 5 того же гидродинамического коммутатора 3. Выход гидродинамического коммутатора 3 соединен с входом первой фотометрической ячейки (ФЯ₁) 6. Выход фотометрической ячейки 6 соединен с вторым гидродинамическим коммутатором 7 через входной патрубок 8, а входной патрубок 9 этого гидродинамического коммутатора соединен через емкость для перемешивания дисперсной системы и агрегирующего агента 10 с узлом подачи дисперсной системы и агрегирующего агента 1. Емкость для перемешивания 10 выполнена в виде цилиндра, внутри которого соосно установлен цилиндр 11, имеющий возможность вращения. Выход второго гидродинамического коммутатора 7 соединен с входом второй фотометрической ячейки (ФЯ₂) 12, а выход этой фотометрической ячейки используется для выведения жидкости из устройства. На трубопроводе, соединяющем емкость для перемешивания 10 с патрубком 9 второго гидродинамического коммутатора 7, установлен пузырьковый фильтр 13.

Первая фотометрическая ячейка 6 и вторая фотометрическая ячейка 12 подсоединены к узлу измерения и обработки результатов 14.

Устройство, реализующее способ определения агрегирующей способности флокулянта или коагулянта, работает следующим образом.

Через узел подачи дисперсной системы и агрегирующего агента 1 в устройство одновременно подаются дисперсная система и агрегирующий агент - флокулянт или коагулянт, которые поступают в емкость для перемешивания 10. Цилиндр 11, установленный в емкости для перемешивания, создает при вращении градиенты скорости движения жидкости в пределах 10⁴ 10⁶ с^-1. Одновременно узел подачи моющего раствора 2 через патрубок 4 гидродинамического коммутатора 3 подает моющий раствор в первую фотометрическую ячейку 6 и через патрубок 8 второго гидродинамического коммутатора 7 во вторую фотометрическую ячейку 12, через выход второй фотометрической ячейки выводится из устройства. При заполнении обеих фотометрических ячеек моющим раствором производят переключение первого гидродинамического коммутатора 3 на патрубок 5, по которому через гидродинамический коммутатор 3 в первую фотометрическую ячейку 6 поступают дисперсная система и агрегирующий агент. В момент заполнения первой фотометрической ячейки 6 дисперсной системой и агрегирующим агентом измеряют разность светопропускающих способностей первой и второй фотометрических ячеек V_n. Затем через патрубок 8 второго гидродинамического коммутатора 7 вторая фотометрическая ячейка 12 заполняется дисперсной системой, содержащей агрегирующий агент. В момент, когда обе ячейки заполнены дисперсной системой, содержащей агрегирующий агент до перемешивания, измеряют разность светопропускающих способностей первой и второй фотометрических ячеек V_c. После получения сигнала V_c второй гидродинамический коммутатор 7 переключают на входной патрубок 9 и перемешанные в емкости 10 дисперсная система и агрегирующий агент поступают через второй гидродинамический коммутатор 7 во вторую фотометрическую ячейку 12. В момент, когда первая фотометрическая ячейка 6 заполнена дисперсной системой, содержащей агрегирующий агент (без перемешивания), а вторая фотометрическая ячейка 12 заполнена дисперсной системой, содержащей агрегирующий агент после перемешивания, измеряют разность светопропускающих способностей ячеек V_m.

Значение агрегирующей способности вычисляют по формуле
h = (V_m- V_c)/(V_n- V_c).
Исследованию подвергались следующие дисперсные системы: суспензии полистирольного латекса (с диаметром частиц 0,45 мкм), гидроксида алюминия, эмульсия трансформаторного масла в воде при концентрациях дисперсных фаз от 50 до 500 мг/л.

В качестве агрегирующего агента исследовались флокулянты, выпускаемые фирмой "Эллаед Коллоидз Лтд" марки Zetag-50, коагулянты сульфат алюминия и сульфат магния.

В качестве моющего раствора использовались раствор этония при концентрациях 10 15 мг/л, раствор цетилтриметиламмоний бромида с концентрацией 5 мг/л, эфир и ацетон.

Пример конкретного выполнения. Через узел подачи дисперсной системы 1 в устройство подается суспензия полистирольного латекса (диаметр частиц 45 мкм) концентрацией 50 мг/л и агрегирующий агент раствор флокулянта марки Zetag-50 (производство фирмы "Эллаед Коллоидз Лтд") с исходной концентрацией 10 мг/л (таблица, пример 1). Расход суспензии составляет 0,5 см³/с, расход раствора флокулянта 0,05 см³/с. Полистирольный латекс с агрегирующим агентом поступают по трубопроводу в емкость для перемешивания 10, где перемешиваются при градиентах скорости движения жидкости 8·10⁴ с^-1. Скорость вращения цилиндра 11 при этом составляет 6000 об/мин.

Одновременно узел подачи моющего раствора 2 через патрубок 4 гидродинамического коммутатора 3 подает моющий раствор раствор этония в дистиллированной воде концентрацией 10 мг/л в первую фотометрическую ячейку 6 и через патрубок 8 второго гидродинамического коммутатора 7 во вторую фотометрическую ячейку 12 и выводится из устройства. При заполнении обеих фотометрических ячеек раствором этония первый гидродинамический коммутатор 3 переключается на патрубок 5, в результате прекращается подача моющего раствора в устройство, а в первую фотометрическую ячейку 6 поступают суспензия полистирольного латекса и флокулянт. В момент, когда первая фотометрическая ячейка 6 заполнена суспензией полистирольного латекса и флокулянтом, а вторая фотометрическая ячейка 12 заполнена раствором этония, измеряют разность светопропускающих способностей ячеек сигнал V_n, равный V_n 158 мВ.

Затем через патрубок 8 второго гидродинамического коммутатора 7 вторая фотометрическая ячейка 12 заполняется суспензией полистирольного латекса и флокулянтом, а раствор этония вытесняется из второй фотометрической ячейки. В момент, когда обе ячейки заполнены суспензией полистирольного латекса и флокулянтом, измеряется разность их светопропускающих способностей сигнал V_c, равный V_c 16 мВ.

После получения сигнала V_c второй гидродинамический коммутатор 7 переключают на патрубок 9 и перемешанные в емкости 10 суспензия полистирольного латекса и флокулянт поступают через второй гидродинамический коммутатор 7 во вторую фотометрическую ячейку 12. Измеряют разность светопропускающих способностей ячеек, когда первая фотометрическая ячейка 6 заполнена суспензией полистирольного латекса и флокулянтом до перемешивания, а вторая фотометрическая ячейка 12 заполнена суспензией полистирольного латекса и флокулянтом после перемешивания, сигнал V_m, равный V_m 98 мВ.

Значение агрегирующей способности
η = (98 - 16)/(158 - 16) = 0,58.
Полное время определения 10 с.

Относительная погрешность определения η по 10 измерениям 4,5%
Измерение разности светопропускающей способности ячеек производилось с помощью дифференциального фотоэлектрического колориметра.

Для выявления влияний дисперсной системы, агрегирующего агента, условий перемешивания поводились опыты, аналогичные описанным выше. Результаты определения агрегирующей способности флокулянта или коагулянта приведены в таблице.

Поставленная задача создание способа определения агрегирующей способности флокулянта или коагулянта и устройства для его реализации предложенными техническими средствами достигнута, так как приведенные в таблице данные показывают (примеры 2 5, 8 12), что точность определения увеличивается в 8 10 раз, а длительность определения уменьшается в 3 12 раз по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

1. Способ определения агрегирующей способности флокулянта или коагулянта, включающий введение в дисперсную систему агрегирующего агента-флокулянта или коагулянта, перемешивание полученной смеси, пропускание ее через фотометрическую ячейку с одновременным измерением светопропускающей способности ячейки и вычисление агрегирующей способности флокулянта или коагулянта, отличающийся тем, что последовательно пропускают моющий раствор и дисперсную систему, содержащую агрегирующий агент, через две фотометрические ячейки, а затем через одну ячейку пропускают дисперсную систему, содержащую агрегирующий агент, и параллельно ей через вторую ячейку пропускают дисперсную систему, содержащую агрегирующий агент и подвергнутую предварительному перемешиванию, причем перемешивают дисперсную систему и агрегирующий агент при градиентах скорости движения жидкости (10⁴-10⁶)с^-1, и вычисляют значение агрегирующей способности η по формуле
h = (V_m-V_c)/(V_n-V_c),
где V_m разность светопропускающих способностей фотометрических ячеек, когда одна фотометрическая ячейка заполнена дисперсной системой, содержащей агрегирующий агент, а другая дисперсной системой, содержащей агрегирующий агент и подвергнутой предварительному перемешиванию;
V_c разность светопропускающих способностей фотометрических ячеек, когда обе ячейки заполнены дисперсной системой, содержащей агрегирующий агент;
V_n разность светопропускающих способностей фотометрических ячеек, когда одна фотометрическая ячейка заполнена дисперсной системой, содержащей агрегирующий агент, другая моющим раствором.

2. Устройство для определения агрегирующей способности флокулянта или коагулянта, включающее узел подачи дисперсной системы и агрегирующшего агента флокулянта или коагулянта, емкость для перемешивания дисперсной системы, содержащей агрегирующий агент, фотометрическую ячейку и соединительные трубопроводы, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено второй фотометрической ячейкой и двумя гидродинамическими коммутаторами, каждый из которых оборудован двумя входами и одним выходом, причем выход каждого гидродинамического коммутатора соединен с входом соответствующей фотометрической ячейки и один вход первого гидродинамического коммутатора, связанного с первой фотометрической ячейкой, соединен трубопроводом с узлом подачи моющего раствора, другой его вход соединен трубопроводом с узлом подачи дисперсной системы и агрегирующего агента, а один вход второго гидродинамического коммутатора, связанного с второй фотометрической ячейкой, соединен с выходом первой фотометрической ячейки и другой его вход соединен трубопроводом с емкостью для перемешивания дисперсной системы и агрегирующего агента.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что емкость для перемешивания выполнена в виде цилиндра с установленным в нем соосно цилиндром с возможностью вращения.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что дополнительно на трубопроводе, соединяющем емкость для перемешивания с вторым входом второго гидродинамического коммутатора, установлен пузырьковый фильтр.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3