Прогнозирование процесса водоподготовки на теплоэлектроцентралях с использованием полиэлектролитов

Водоподготовка на ТЭЦ включает следующие стадии: коагуляцию, флокуляцию, отстаивание и фильтрацию. Осаждение коагулированных взвешенных веществ проходит в отстойниках, которые в системе водоподготовки промышленной воды ТЭЦ называются осветлителями химического цеха. В результате теоретических исследований процесса осаждения, происходящего в осветлителях цеха водоподготовки, получена зависимость массы частиц, находящихся во взвешенном состоянии в воде, от времени осаждения, имеющая следующий вид:

- K ⋅ t

m=m0 ⋅em . (1)

Экспериментальную проверку полученной зависимости проводили на примере осветления промышленных вод Витебской ТЭЦ и ТЭЦ «Южная» Витебского телезавода. Эффективность флокулянта оценивали по количеству взвешенных частиц в осветленном слое воды весовым и фотоколориметрическим методами. В качестве флокулянта использовали хлорид поливинилбензилтриметиламмония ( ClP ), натриевую соль полистиролсульфокислоты ( NaP ), сульфат железа (II). Концентрация ClP и NaP составила 30 мг/л, FeSO 4 – 100 мг/л. Результаты исследований приведены на рис. 1.

Был проведён математический анализ полученных экспериментальных данных, который показал, что процесс осаждения частиц в ходе водоподготовки промышленной воды ТЭЦ не зависит от используемого коагулянта и подчиняется теоретически полученной экспоненциальной зависимости. Это даёт возможность проводить сравнительный анализ различных видов флокулянтов.

В результате дальнейших исследований установлено, что наилучшие показатели по осаждению частиц в процессе водоподготовки промышленной воды ТЭЦ достигаются при применении в качестве флокулянтов хлорида поливинилбензилтриметиламмония ( ClP ) и натриевой соли полистиролсульфокислоты ( NaP ) по сравнению с используемым в настоящее время сульфатом железа (II). Это связано с тем, что водорастворимые полиэлектролиты обладают специфическими особенностями из-за наличия активных ионизирующихся функциональных групп в цепи макромолекулы.

Рисунок 1 - Экспериментальные данные и линии уравнения регрессии зависимости массы частиц, находящихся во взвешенном состоянии в воде, от времени осаждения для различных флокулянтов

Упомянутые выше водорастворимые полиэлектролиты – соли полистиролсульфокислоты (I+P-) и поливинилбензилтриметиламмония (I-P+) (Р± относится к полииону) – являются химическими аналогами двух наиболее распространенных типов ионитов: сульфостирольных смол типа КРС, КУ-2, Дауэкс-50 и сильноосновных анионитов типа АРА, АВ-17, Дауэкс-1. Оценку влияния отдельных характеристик системы флокулянт–дисперсия на флокуляцию проводили при сохранении неизменными других характеристик. За меру флокулирующего эффекта принимали показатель флокуляции D:

V - V

D = ,', (2)

где V и V 0 – скорости седиментации дисперсии с добавкой флокулянта и без него.

Чем больше значение параметра D , тем выше флокулирующий эффект полимерной добавки. Эффективность флокуляции зависит как от характеристик флокулянта (природа и концентрация полимера, мольная масса, химический состав и гидродинамические размеры макромолекул), так и от характеристик дисперсной системы (концентрация дисперсной фазы и состав дисперсионной среды).

Одной из наиболее важных характеристик флокулянтов, существенно влияющих на седиментационную устойчивость дисперсных систем, является их молекулярная масса. Как правило, с увеличением молекулярной массы флокулирующая способность полиэлектролитов возрастает. Это обусловлено возможностью больших макромолекул связывать большее число частиц в крупные хлопья посредством полимерных мостиков между частицами. Флокулирующая способность полимера определяется не столько степенью полимеризации, сколько размерами, занимаемыми макромолекулами в растворенном состоянии.

На флокулирующую способность полиэлектролита влияет не только молекулярная масса, но и молекулярно-массовое распределение полимера. Эффективная флокуляция наблюдается при определенном соотношении в размерах частиц дисперсии и макромолекул, а при очень большом их различии флокуляция становится невозможной. Флокулирующая активность полиэлектролитов может уменьшаться в процессе приготовления, хранения и применения их в виде водных растворов. Это обусловлено не только уменьшением молекулярной массы вследствие деструкции макромолекул, происходящей в результате химических и физических воздействий, но и увеличением компактности макромолекулярных клубков в результате внутримолекулярного перераспределения водородных связей.

Из водорастворимых полиэлектролитов практическое применение в качестве коагулянтов и флокулянтов нашли катионные полиэлектролиты вследствие того, что большинство промышленных сточных вод содержат отрицательно заряженные частицы. Водорастворимые поликатиониты обладают максимальной обменной емкостью и вязкостью, что обусловлено наличием хлорметильных групп и высокой молекулярной массой.

В результате анализа экспериментальных данных при использовании полиэлектролита ClP различной молекулярной массы установлено, что увеличение мольной массы полиэлектролита повышает его флокулирующую способность. Это объясняется возможностью больших макромолекул адсорбировать большее количество частиц, содержащихся в дисперсии (рис.2).

Сравнивая эффективность действия полиэлектролитов NaP и ClP, установлено, что преимущество полиэлектролита ClP по сравнению с полиакриламидом заключается в следующем: уменьшается расход минерального коагулянта (сульфат алюминия, сульфат железа); сокращается время отстаивания; снижается жесткость очищенной воды.

Флокулирующее действие ClP выше по сравнению с NaP по следующим причинам: поликатионит является монофункциональным и имеет основной характер; хлорид поливинилбензилтриметиламмония способен диссоциировать в широком интервале рН среды.

а)

б)

Рисунок 2 - Аппроксимирующие функции, отражающие зависимости величины оптической плотности промышленной воды от концентрации полиэлектролита ClP различной молекулярной массы: а) полиэлектролит ClP с молекулярной массой М

= 86 000; б) полиэлектролит ClP с молекулярной массой М = 120 000

Выводы

• 1.    Исследованы процессы водоподготовки промышленной воды на ТЭЦ, в результате чего разработана теоретическая зависимость массы частиц, находящихся во взвешенном состоянии в воде, от времени осаждения.

• 2.    Проведены экспериментальные исследования процесса водоподготовки промышленной воды на ТЭЦ «Южная» Витебского телезавода для различных коагулянтов: ClP, NaP, FeSO 4 .

• 3.    Установлено, что одной из наиболее важных характеристик флокулянтов, существенно влияющих на седиментационную устойчивость дисперсных систем, является их молекулярная масса.

• 3.    Сравнивая эффективность действия полиэлектролитов NaP и ClP установлены преимущества полиэлектролита ClP по сравнению с полиакриламидом NaP .

Список использованных источнкиов

• 1.    Гречаников, А.В. Исследование процесса химического осветления сточных вод с использованием полиэлектролитов / А.В. Гречаников // Вестн. ВГТУ. 2006. № 12. С.87.

• 2.    Ящерицын, П.И. Планирование эксперимента в машиностроении: [Справ. пособие] / П.И. Ящерицын, Е.И. Махаринский – Мн.: Выш. шк., 1985. – 286 с., ил.

• 3.    Платонов, А.П. Утилизация отходов водонасосных станций и ТЭЦ Республики Беларусь / Сост. А.П. Платонов, С.Г. Ковчур. – Витебск: УО «ВГТУ»; 2002. – 132 с.

• 4.    Статистические методы в экспериментальных исследованиях (руководство по использованию «STATISTIKA for WINDOWS»): Учебное пособие / ВГТУ; Сост. С.М. Литовский. – Витебск, 1996. – 63 с.