6.1.2.Теоретические основы коагуляции коллоидных примесей, содержащихся в сточных водах.

Коагуляция - это процесс укрупнения дисперсных частиц за счет их взаимодействия и объединения в агрегаты. Мелкие (первичные) частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодействия. Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных - гетерокоагуляцией. Вещества, способные вызвать коагуляцию частиц называют в общем случае коагуляторами, а в водоподготовке - коагулянтами или гидролизующимися коагулянтами. Последние не только вызывают коагуляцию частиц загрязнений, но и образуют, гидролизуясь, малорастворимые продукты, способные объединяться в крупные хлопья.

Дискретная фаза (твердая или жидкая) в производственных сточных водах представлена коллоидными частицами размером 0,001-0,1мкм, мелкодисперсными частицами размером 0,1-10 мкм, а также частицами, размер которых превышает 10 мкм. В процессах механической обработки сточных вод наиболее эффективно удаляются последние из вышеперечисленных частиц. Коллоидные и мелкодисперсные частицы при механической обработке практически не удаляются, поэтому для очистки сточных вод от этих загрязнений используют различные коагулянты (чаще всего - соли аммония и железа), которые увеличивают их скорость осаждения.

Для лиофобных золей и суспензий характерно образование на поверхности двойного электрического слоя (ДЭС) ионов и скачки потенциала на границе раздела фаз.

Рис. 6.30 Схема строения мицеллы гидроксида железа.

Рассмотрим в качестве примера строение золя гидроксида железа (Рис.5.1). Согласно существующей мицеллярной теории золь состоит из двух частей: мицелл и интермицеллярной жидкости. Мицелла - это структурная коллоидная частица, т.е. частицы дисперсной фазы, окруженная двойным электрическим слоем. Интермицеллярной жидкостью называют дисперсионную среду, разделяющую мицеллы, в которой растворены электролиты, не электролиты и поверхностно-активные вещества, являющиеся стабилизаторами коллоидной системы. Основу коллоидной частицы составляют микрокристаллы труднорастворимого , называемые агрегатами. В результате избирательной адсорбции на поверхности агрегата образуется положительно зараженный слой, состоящий из ионов водорода (потенциалообразующие ионы, сокращенно РОИ). Агрегаты вместе с потенциалообразующими ионами образует ядро. Под действием электростатических сил притяжения у ядра формируются слой ионов противоположного знака - противоионов, компенсирующих частично заряд ядра. В рассмотренном примере их роль выполняют ионы Сl^-. Частицу с окружающим ее плотным слоем ионов называют гранулой.

Гранула характеризуется двойным электрическим слоем, который образуется из потенциалообразующих ионов и противоионов.

Следует указать, что часть противоионов (n-х) наиболее близко расположенных к ядру, находится в слое жидкости, смачивающем поверхность твердого ядра и испытывают действие не только электростатических, но и ван-дер-ваальсовых сил ядра, поэтому прочно удерживаются около него и образуют так называемый адсорбционный слой противоионов (плотный слой). Остальные х противоионов, слабее связаны с ядром (только электростатически) и под влиянием теплового движения располагаются в жидкой фазе диффузно и называются диффузионным слоем. Такова схема строения мицеллы. Мицеллы золей электронейтральны.

Структуру мицеллы Fe(OH)₃ можно представить следующими формулами:

{[Fe(OH)₃]_mnH⁺(n-x)Cl^-}⁺xCl^- ( 6.0)

или {[Fe(OH)₃]_mnFeOCl⁺,⁺FeO⁺(n-x)Cl^-}⁺xCl^- ( 6.0)

Укажем также, что граница между коллоидной частицей и диффузионным слоем носит название границы или поверхности скольжения. Границы скольжения обозначают ту геометрическую поверхность, по которой происходит разделение ("разрыв") мицеллы на коллоидную часть и диффузный слой в случае ее перемещения относительно дисперсионной среды.

Для мицеллы гидрооксида алюминия, образованного при гидролизе, можно по аналогии записать:

{[Al(OH)₃]_m nH⁺1/2(n-x)SO ₄^2-}⁺1/2xSO₄^2- ( 6.0)

Если предположить, что потенциалообразующим ионов является Al³⁺, то:

{[Al(OH) ₃] _m nAl³⁺ 3/2(n-x)SO ^2-₄}⁺3/2xSO₄^2- ( 6.0)

В ряде публикаций также отмечается, что потенциалообразующим слоем в мицелле Al(OH)₃ может быть катион Al₆(OH)₁₅³⁺.