ФЛОКУЛЯЦИЯ  ГИДРОДИСПЕРСИЙ  БЕНТОНИТА  В  ПРИСУТСТВИИ  КАРБОКСИД-,  АМИД-,  АМИНСОДЕРЖАЩИХ  ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТОВ 

Асанов  Аманкайт  Асанович

к.  х.  н.,  профессор  ТарГУ  им.  М.  Х.  Дулати,  г.  Тараз,  респ.  Казахстан

Матниязова  Гульсим  Кадыржановна

докторант  Ph.  D  ТарГУ  им.  М.  Х.  Дулати,  г.  Тараз,  респ.  Казахстан

E-mail:  gulsim.matniyazova@mail.ru

Многие  природные  мутные,  производственные  и  сточные  воды  содержат  в  составе  твердые  фазы,  имеющие  различную  степень  устойчивости,  которая  зависит  от  размера  и  природы  частиц  [7,  с.  57,  58].  Эти  кинетически  и  агрегативно  устойчивые  твердые  фазы  трудно  разделяются  от  жидкой  среды,  особенно,  содержащие  бентонитовые  глинистые  частицы,  обладающие  не  только  высокой  дисперсностью  и  определенной  гидрофильностью,  но  и  проявляющие  самопроизвольную  диспергируемость  [4,  с.  13,  14].  Для  ускорения  отстаивания  таких  частиц  и  процесса  осветления  дисперсионной  среды  в  последние  годы  стали  использовать  водорастворимые  полимеры,  особенно  полиэлектролиты  (ПЭ),  имеющие  в  цепи  макромолекулы  активные  ионизируемые  и  неионизируемые  функциональные  группы,  способные  взаимодействовать  с  частицами  твердой  фазы,  отличающиеся  составом,  соотношением,  природой,  а  также  противоионами  и  сопутствующими  электролитами  [2,  с.  54;  6,  с.  132]. 

Среди  известных  флокулянтов,  применяемых  в  настоящее  время  для  ускорения  процесса  разделения  твердой  фазы  и  осветления  жидкой  среды,  наибольшее  распространение  получили  в  основном  полиэлектролиты,  содержащие  в  цепи  макромолекулы  карбоксидные,  амидные  функциональные  группы  [9,  с.  9].  Однако,  эти  ПЭ  не  всегда  удовлетворяют  возрастающим  требованиям  к  очистке  и  осветлению  природных  мутных,  производственных  и  сточных  вод,  содержащих  высокодисперсные  твердые  фазы,  имеющие  различные  размеры  частиц,  особенно  глинистые  [5,  с.  185].  Эффективность  флокулирующего  действия  ПЭ  во  многом  зависит  от  состава,  соотношения,  плотности,  расположения  и  сочетания  функциональных  групп  в  цепи  макромолекулы  [10,  c.  704]. 

В  этом  аспекте  определенные  теоретические  и  прикладные  значения  имеют  исследования  флокуляции  гидродисперсий  бентонита  (ГДБ)  с  различными  размерами  частиц  под  влиянием  ПЭ,  содержащих  карбоксидные  и  амидные  или  аминные  и  амидные  функциональные  группы,  отличающиеся  плотностью,  соотношением,  сочетанием  и  расположением  в  цепи  макромолекулы. 

Для  этой  цели  приготовлены  гидродисперсии  бентонита  методом  фракционирования  диализованной  суспензии.  В  качестве  ПЭ  был  взят  продукт  сополимеризации  малеиновой  кислоты,  содержащей  в  одном  звене  две  хорошо  ионизируемые  карбоксидные  группы  с  различной  степенью  диссоциации,  с  амидом  акриловой  кислоты  –  акриламидом  (АА),  имеющим  в  составе  слабо  ионизируемые  функциональные  группы,  полученные  при  исходных  значениях  рН  реакционной  среды,  оптимальных  условиях  и  мольных  соотношениях  мономерных  звеньев  (1,0:8,0)  [3,  с.  8,  9].  А  также  полиэлектролит,  содержащий  амидные  и  положительно  заряженные  аминные  функциональные  группы,  который  был  получен  путем  сополимеризации  акриламида  (АА)  с  2-метил-5-винилпиридином  (2-М-5-ВП)  в  водной  среде  при  рН  4,0-4,5  и  оптимальном  соотношении  мономерных  звеньев  (4,0:1,0)  [1,  с.  29–31],  условно  обозначенные  МКАА-Н  и  АА:2-М-5-ВП∙НСl,  соответственно.  Эти  ПЭ  в  составе  макромолекулы  имеют  в  одинаковых  количественных  соотношениях  карбоксидные  и  амидные  или  амидные  и  аминные  функциональные  группы. 

Исследуемые  фракции  ГДБ,  как  видно  из  таблицы,  отличаются  значением  оптической  плотности,  содержанием  твердой  фазы,  размером  частиц  и  величиной  электрокинетического  потенциала.  Флокуляцию  фракций  ГДБ,  отличающихся  размерами  частиц  твердой  фазы  в  присутствии  различных  концентраций  ПЭ  изучали  в  зависимости  от  времени  отстаивания  (t),  определяя  оптическую  плотность  (D),  объемы  осадков  (V_ос)  и  скорости  фильтрации  (U),  а  процесс  взаимодействия  характеризовали  изменением  вязкости  (η),  электропроводности  (χ)  и  значения  рН  фильтрата. 

Таблица

Данные  свидетельствуют,  что  процесс  осветления  и  скорость  разделения  твердой  фазы  фракций  ГДБ  зависит  от  времени  отстаивания  и  количества  добавленного  ПЭ.  При  этом  скорость  осветления  и  накопления  осадка  в  присутствии  одинаковой  концентрации  ПЭ  зависит  от  дисперсности  фракций  ГДБ. 

Сравнение  степени  флокуляции  от  времени  при  добавлении  одинаковой  концентрации  (2,5  г/1000  г)  ПЭ  показало,  что  глубокое  осветление  и  быстрое  разделение  твердой  фазы  происходит  почти  во  всех,  особенно  в  3-5  фракциях.  Обнаружено,  что  интенсивное  протекание  процесса  флокуляции,  глубокое  осветление  и  накопление  осадков,  в  основном  происходит  в  течение  5-15  минут,  в  присутствии  оптимальных  концентраций  ПЭ.  Дальнейшее  отстаивание  не  приводит  к  значительному  изменению  значений  величин  оптической  плотности  D  и  объема  осадка  V_ос  (рисунок  1).  Без  добавления  ПЭ  существенного  изменения  значений  оптической  плотности  и  объема  осадков  ГДБ  не  наблюдается  даже  через  120  минут  отстаивания.

Выявлено,  что  оптимальная  концентрация,  необходимая  для  достижения  наибольшей  скорости  осаждения  и  накопленного  осадка,  а  также  наименьшего  значения  оптической  плотности,  зависит  от  дисперсности  твердой  фазы  ГДБ.  Наряду  с  этим,  с  ростом  дисперсности  увеличиваются  и  значения  величины  объема  осадка.  При  этом  более  высокий  объем  осадка  образуется  в  присутствии  оптимальной  концентрации  ПЭ.

Рисунок  1  а,  б.  Изменение  оптической  плотности  фракций  ГДБ,  в  зависимости  от  времени  отстаивания  при  добавлении  ПЭ  –  МКАА-Н  (а),  АА:2-М-5-ВП∙НСl  (б)  равной  2,5г  на  1000  г  (2,5г/1000г)  твердой  фазы

Такая  закономерность  связана  с  тем,  что  при  малых  количествах  добавленного  ПЭ,  макромолекул  недостаточно,  чтобы  связывать  все  или  большинство  частиц  твердой  фазы.  Вследствие  этого  в  данной  области  концентраций  в  системе  одновременно  присутствуют  неагрегированные  и  агрегированные  частицы.  Поэтому  скорость  разделения  и  накопления  осадка  протекает  медленнее,  и  значение  оптической  плотности  остается  еще  достаточно  высоким. 

Под  влиянием  оптимальной  концентрации  дисперсные  частицы  почти  полностью  укрупняются,  образуя  крупные,  рыхлые,  бесформенные,  быстро  разделяемые  и  трудно  уплотняемые  агрегаты.  При  дальнейшем  росте  количества  ПЭ  в  системе  вновь  постепенно  начинается  уменьшение  объема  накопленного  осадка  и  некоторый  рост  значений  оптической  плотности,  которые  также  зависят  от  дисперсности  твердой  фазы  ГДБ. 

Рисунок  2а,  б.  Изменение  оптической  плотности  D  и  объема  накопленного  осадка  V_ос  фракций  ГДБ  в  зависимости  от  количества  добавленного  ПЭ  –  МКАА-Н  (а),  АА:2-М-5-ВП∙НСl  (б)  через  30  минут  отстаивания.

Это  происходит  вследствие  того,  что  при  избытке  ПЭ  в  системе  поверхность  агрегированных  частиц  начинает  более  полно  покрываться  макромолекулами,  приводящие  к  образованию  мелких  гидрофилизированных  флокул,  трудно  разделяющихся  от  жидкой  среды,  который  связан  с  постепенным  переходом  процесса  флокуляции  к  стабилизации  (рисунок  2). 

Сравнение  значений  оптической  плотности  D  и  объема  осадков  V_ос,  при  добавлении  оптимальной  концентрации  исследуемых  ПЭ  показало,  что  минимальное  значение  оптической  плотности  и  наибольший  объем  осадка  имеет  в  присутствии  полиэлектролита  АА:2-М-5-ВП∙НСl.  Это  связано  с  тем,  что  макроцепь  этого  ПЭ,  содержит  в  качестве  функциональных  групп  наряду  со  слабо  заряженными  амидными,  положительно  заряженные  аминные  группы,  которые  обладают  достаточно  высокой  способностью  образовывать  связь  с  отрицательно  заряженными  частицами  твердой  фазы  ГДБ.  Кроме  того,  в  присутствии  оптимальных  концентраций  этого  ПЭ  степень  осветления  и  величины  объема  осадка  почти  в  2  раза  больше  по  сравнению  с  МКАА-Н.  Образование  крупных  гидрофилизированных  бесформенных  осадков  под  влиянием  АА:2-М-5-ВП∙НСl  может  быть  связано  с  коагуляционно-флокуляционным  механизмом  взаимодействия  частиц  твердой  фазы  с  макромолекулами  ПЭ,  протекающим  одновременно. 

Величины  удельной  скорости  фильтрации  (U_уд)  фракций  ГДБ  под  влиянием  различных  количеств  ПЭ,  рассчитанный  по  формуле  (1)  также  свидетельствует,  что  с  ростом  добавляемой  концентрации  процесс  фильтрации  сначала  постепенно  увеличивается,  достигнув  максимального  значения  в  области  оптимальных  концентраций,  а  затем  вновь  начинает  снижаться  (рисунок  3). 

  U_уд  =    (1) 

где  t₀  -  время  прохождения  жидкости  без  добавления  ПЭ,  t  -  время  прохождения  жидкости  в  присутствии  ПЭ. 

При  этом  области  концентраций,  где  имеются  наименьшие  значения  оптической  плотности  D  и  максимальные  величины  объема  осадков  V_ос,  а  также  удельной  скорости  фильтрации  (U_уд)  ГДБ,  почти  коррелируют.  Однако,  при  сравнении  величины  скорости  фильтрации  под  воздействием  исследуемых  ПЭ  не  обнаруживается  существенное  различие,  хотя  величина  объема  образовавшегося  осадка  ГДБ  в  присутствии  АА:2-М-5-ВП∙НСl  почти  в  2  раза  больше,  чем  в  присутствии  МКАА-Н.  Это  может  быть  связано  со  структурой  образовавшихся  флокул  и  их  поверхностным  свойством. 

Рисунок  3а,  б.  Изменение  удельной  скорости  фильтрации  фракций  ГДБ  в  зависимости  от  концентрации  добавленного  ПЭ  –  МКАА-Н  (а),  АА:2-М-5-ВП∙НСl  (б).

Сравнение  изменения  оптимальной  дозы  исследуемых  ПЭ  в  зависимости  от  дисперсности  фракций  ГДБ  показало,  что  по  мере  увеличения  размера  частиц  и  уменьшения  величины  электрокинетического  потенциала,  концентрация  ПЭ,  необходимая  для  достижения  одинаковой  степени  осветления,  объема  осадков  и  скорости  фильтрации  уменьшается,  а  эффект  флоккулирующего  действия  (ЭФД)  [8,  с.  128–132]  растет  (рисунок  4).  Такое  различие  может  быть  связано  с  тем,  что  твердая  фаза  с  более  грубыми  частицами  и  меньшим  электрокинетическим  потенциалом  относительно  легко  подвергается  агрегированию  в  присутствии  ПЭ.  Это  особенно  заметно  при  добавлении  АА:2-М-5-ВП∙НСl,  макромолекула,  которой  имеет  наряду  с  амидными,  положительно  заряженные  аминные  функциональные  группы.

Рисунок  4.  Изменение  оптимальной  концентрации  (С)  и  эффекта  флокулирующего  действия  (ЭФД)  ПЭ  в  зависимости  от  дисперсности  фракций  ГДБ,  определенные  через  15  минут  отстаивания.

Изменение  оптической  плотности  D,  вязкости  η,  электропроводности  χ  и  значения  рН  фильтратов  дали  возможность  также  определить  причины  некоторых  различий  флокулирующего  действия  в  исследуемых  ПЭ.  При  этом  значения  D  фильтрата  существенно  меньше  по  сравнению  с  отстоем. 

Определение  вязкости  η  фильтратов  показало,  что  почти  во  всех  исследованных  интервалах  концентраций  численные  значения  вязкости  η  равны  нулю  или  близки  к  этому  значению,  что  свидетельствует  о  полном  закреплении  макромолекул  ПЭ,  которые  адсорбируются  на  поверхности  частиц  твердой  фазы. 

А  величины  Δχ_уд  с  ростом  концентраций  добавляемых  ПЭ,  вычисленные  по  формуле  (2),  постепенно  увеличиваются. 

  Δχ_уд=χ_уд.i  -  χ_уд.н  (2),

где  χ_уд.i  -  значения  удельной  электропроводности  в  присутствии  исследуемых  концентраций  ПЭ,  χ_уд.н  –  значение  удельной  электропроводности  без  добавлении  ПЭ.

Рисунок  5.  Изменение  величины  Δχ_уд  и  ΔрН  фильтратов  в  зависимости  от  концентрации  ПЭ  –  МКАА-Н  (а),  АА:2-М-5-ВП∙НСl  (б).

При  этом  значение  Δχ,  в  присутствии  одинаковых  концентраций  ПЭ  снижается  по  мере  увеличения  размера  частиц  и  уменьшения  величины  электрокинетического  потенциала  ГДБ. 

Изменение  численных  значений  ΔрН  фильтратов,  найденные  по  формуле  (3)  в  зависимости  от  концентрации  добавляемого  ПЭ,  отличается  от  величины  Δχ,  то  есть  имеет  несколько  сложный  вид  кривой  (рисунок  5а,  б).

  ΔрН=рН_i  –  рН_н  (3),

где  рН_i  –  значения  рН  фильтратов  при  добавлении  исследуемых  концентраций  ПЭ,  рН_н  –значение  рН  фильтратов  без  добавления  ПЭ.

Во  всех  случаях  с  ростом  добавляемой  концентрации  ПЭ  значения  ΔрН  сначала  увеличиваются,  а  затем,  достигнув  максимума,  снижаются.  Такая  закономерность  процесса  взаимодействия  сохраняется  для  обоих  исследованных  ПЭ.  Это  может  быть  связано  с  тем,  что  при  малых  и  оптимальных  концентрациях  ПЭ  образование  связи  макроионов  с  частицами  твердой  фазы  протекает  в  основном  за  счет  ионообменного  процесса  взаимодействия,  а  в  большей  области  концентрации  преобладает  молекулярная  адсорбция.  Интенсивный  рост  величины  ΔрН  фильтратов  ГДБ  в  присутствии  малых  и  средних  концентраций  связано  с  вытеснением  низкомолекулярных  катионов,  находящиеся  в  адсорбционном  и  диффузном  слое,  проявляющие  щелочные  свойства  с  адсорбированными  макроионами  ПЭ  на  поверхности  частиц  твердой  фазы.  Некоторому  уменьшению  значений  ΔрН  фильтратов  ГДБ  при  добавлении  более  высокой  концентрации  также  могут  способствовать  слабокислые  свойства  рН  растворов  исследуемых  ПЭ.

  Сравнение  значений  ΔрН  показывает,  что  изменение  этой  величины  также  зависит  от  дисперсности  и  значения  электрокинетического  потенциала  твердой  фазы  ГДБ,  то  есть  увеличение  дисперсности  приводит  к  росту  ΔрН  во  всем  исследованном  интервале  концентраций. 

Таким  образом,  показано,  что  процесс  флокуляции  фракций  ГДБ,  отличающихся  размером  частиц  твердой  фазы  и  величиной  электрокинетического  потенциала,  зависит  от  вида,  соотношения,  сочетания  функциональных  групп  добавляемого  ПЭ.  При  этом  выявлено,  что  взаимодействие  частиц  твердой  фазы  в  присутствии  малых  и  средних  концентраций  ПЭ  имеет  ионообменный  характер,  а  в  более  высоких  преобладает  молекулярная  адсорбция,  на  что  указывают  величины  вязкости  η,  значения  Δχ  и  ΔрН  фильтратов.

Список  литературы:

1.Асанов  А.  А.,  Нуриллина  В.  Р.,  Ахмедов  К.  С.  Флокулирующе  действие  водорастворимых  полиэлектролитов  на  основе  2-метил-5-винилпиридина  метакриловой  кислоты  и  ее  амида.//Доклад  Академии  Наук  Республики  Узбекистан.  №  9.-  С.  29–31.

2.Асанов  А.  А.,  Погорельский  К.  В.,  Ахмедов  К.  С.  Влияние  на  устойчивость  коллоидных  систем  полиэлектролитов  с  различным  соотношением  и  природой  функциональных  групп.  //Тезисы  докладов  VII-ой  Всесоюзной  конференции  по  коллоидной  химии  и  физико-химической  механике.  Изд.  «наука  и  техника»,  Минск,  1977.  –  54  с.

3.Ахмедов  К.  С.,  Асанов  А.  А.  и  др.  Устойчивость  и  структурообразование  в  дисперсных  системах.  Изд.  ФАН,  Уз  ССР,  1976.  –  8,  9  с.

4.Ахмедов  К.  С.,  и  др.  Водорастворимые  полимеры  и  их  взаимодействие  с  дисперсными  системами.  Ташкент,  Изд.  ФАН,  1969.  -13,  14  с. 

5.Вейцер  Ю.  И.,  Минц  Д.  М..  Высокомолекулярные  флокулянты  в  процессах  очистки  воды.  М.:  Стройиздат,  1975.  –  185  с.

6.Запольский  А.  К.,  Баран  А.  А.  Коагулянты  и  флокулянты  в  процессах  очистки  воды.  Л.:  Химия,  1987.  –  132  с.

7.Куренков  В.  Ф.  Полиакриламидные  флокулянты.//Соросовский  образовательный  журнал,  №7,  1997.  -  С.  57–58.

8.Материалы  II  Международной  научной  конференции//«Инновационное  развитие  и  востребованность  науки  в  современном  Казахстане»,  Алматы,  2008.  -  С.  128–132.

9.Небера  В.  П.  Флокуляция  минеральных  суспензий.  М.:  Недра,  1983.  -9  с. 

10.La  Mer  V.  K.,  Smellie  R.  H.  //  J.  Coll.  Sci.,  1956.  -V.  11,  -№  6.  -  P.  704.