3.8. Механизм очистки воды коагулянтами

С целью ускорения процесса осаждения, повышения скорости фильтрования и вообще выделения мелкодисперсных взвешенных частиц и коллоидов в сточных и питьевых водах, а также в различных техно­логических суспензиях их обрабатывают коагулянтами. В качестве коагулянтов преимущественно используют соли алюминия и железа, которые, гидролизуясь, образуют гидроксиды. Последние коагулируют, что приводит к взаимному слипанию взвешенных и коллоидных частиц очищаемой воды с коллоидными частицами гидроксидов и увеличению скорости их осаждения.

Рассмотрим процесс коагуляционной очистки воды сульфатом алюминия – наиболее распространенным коагулянтом. При приготовлении рабочих растворов коагулянта в разбавленных водных растворах при рН<3 ион алюминия существует в виде аквакомплекса [А1 (Н₂О)₆]³⁺ октаэдрической структуры. Каждая из 6 молекул первой координационной сферы связана водородными связями с двумя молекулами воды второй сферы. Обмен молекул воды, координированных ионами алюминия, протекает по диссоциативному механизму. При повышении значений рН раствора более 3 с концентрацией ионов алюминия не более 10^–3 г-ион/дм³ образуются мономерные аквагидроксокомплексы по схеме:

При этом можно предположить, что диссоциативное взаимодействие происходит между протоном одной из шести молекул первой (внутрен­ней) координационной сферы аквакомплекса алюминия с молекулой воды второй сферы с одновременным отщеплением и второй молекулы воды наружной сферы. Отщепление протона обусловливает кислую реакцию водных растворов солей алюминия.

При увеличении концентрации ионов алюминия в растворе и, особенно, соотношения концентраций ОН^- и А1³⁺ происходит гидролитическая полимеризация с образованием димеров по схеме:

Образуется трехслойный аквагидроксокомплекс [А1₁₈(Н₂0)₁₂(ОН)₄₈]⁶⁺. Таким образом, мицелла как бы состоит из шести молекул гидроксида алюминия внутреннего слоя, сверху и снизу которого расположены два шестиядерных аквагидроксокомплекса с зарядом +3. Мицеллу условно можно представить формулой {[А|(ОН)з]₆[Al₆(H2O)₆(ОН)₁₅]₂}(SО₄)³. Коагуляция мицелл происходит путем гидролитического взаимодействия верхнего и нижнего слоев или по боковым ребрам с образованием водородной связи между слоями.

При гидролитическом взаимодействии димеров и полимеризации последних до мицелл образуется водородная связь. Мицеллы коагулируют спонтанно по механизму разветвленной цепи с образованием агрегатов за счет межмолекулярных сил Ван-дер-Ваальса по принципу бимолекулярной реакции. Взаимодействие мицелл протекает в области быстрой коагуляции, когда все частицы, находящиеся в броуновском движении, при сближении слипаются.

Между дисперсными частицами существуют силы притяжения и отталкивания.

По мере понижения температуры значительно повышается вязкость дисперсионной среды, уменьшается степень гидролиза коагулянта. Так, при уменьшении температуры от 30 до 0 °С вязкость воды увеличивается в 2,24 раза. Увеличение вязкости снижает интенсивность броуновского движения и в итоге – скорость коагуляции, что и отмечается в практике очистки воды коагулянтами в зимнее время, когда температура воды понижается до 4°С и менее. Из-за малой кинетической энергии шарообразных агрегатов образуются слабые рыхлые хлопья. В этом случае для улучшения качества коагуляционной очистки воды применяют повышенные дозы коагулянта или его дробное дозирование при одновременном увеличении щелочного резерва, (подщелачивание), что приводит к увеличению степени гидролиза и численной концентрации частиц.

Весьма эффективно применение коагулянтов с повышенной основностью (а₀) – гидроксосульфатов и гидроксохлоридов алюминия. Они представляют собой полимерные гидроксокомплексы и требуют значительно меньшего щелочного резерва. Полезным оказывается также использование смешанных коагулянтов – смеси солей алюминия и железа, а также замутнителей и флокулянтов. Соли железа гидролизуются в большей мере и являются центрами коагуляции, в результате которой образуются плотные, крупные и достаточно прочные хлопья. Флокулянты способствуют укрупнению частиц, что благоприятствует их коагуляции, при этом значительно повышается скорость седиментации. В качестве замутнителей применяют мелкодисперсные глины, ил и др. Они играют роль затравки и образуют неустойчивую полидисперсную систему, в которой значительно улучшаются условия гетерокоагуляции.

В природной воде, цветной или мутной, содержатся коллоидный гумус и минеральные взвешенные вещества, которые имеют, как правило, отрицательный заряд. Очистка воды коагулянтом (в результате гидролиза) приводит к образованию коллоидного гидроксида алюминия. Таким образом, в коагуляции участвуют разнородные частицы, т. е. происходит гетерокоагуляция. Образовавшиеся в процессе гидролиза коагулянта положительно заряженные полиядерные аквагидроксокомплексы алюминия – мицеллы и более крупные шарообразные агрегаты золя, а также и менее полимеризованные аквагидроксокомплексы хемосорбируются на поверхности глинистых или других минеральных частиц очищаемой воды. При этом происходит взаимодействие с гидратной оболочкой глинистой частицы с образованием водородных связей и одновременно нейтрализуется заряд. В результате этого частицы взвеси покрываются плотным слоем частиц гидроксида алюминия.

Таким образом, весь процесс осветления воды, начиная с образования мицелл и заканчивая их осаждением, условно можно разделить на этапы.

На первом этапе, после введения коагулянта в очищаемую воду, происходит гидролиз его с образованием мицелл и последующим их агрегированием в более крупные шарообразные частицы золя (около 0,01...0,1 мкм). Появляется опалесценция. Этот период называют стадией скрытой коагуляции. Затем начинается период построения цепочечных структур и образования огромного количества мельчайших хлопьев, которые агрегируются в более крупные и, достигнув определенных размеров, под действием силы тяжести оседают. Наступает стадия седиментации. В действительности эти этапы не следуют строго друг за другом, а перекрываются.

Процесс обесцвечивания преимущественно протекает на стадии фор­мирования шарообразных агрегатов, а осветление – на стадии построения цепочечных структур. Образовавшиеся крупные хлопья в процессе очистки воды играют роль «трупов», сводящуюся к тому, чтобы они быстрее седиментировали (тонули). Поэтому первичные мельчайшие частицы золя гидроксида алюминия, сыграв свою основную роль в очистке воды, объединяются в большие хлопья и тонут. Для того чтобы достигнуть эффективной очистки воды от коллоидно-взвешенных веществ, необходимо обеспечить наиболее благоприятные условия для гидролиза коагулянтов и максимальную скорость образования мицелл и первичных агрегатов золя на первом этапе, а также максимальную скорость образования достаточно крупных и быстрооседающих хлопьев на последующем этапе.

На процесс коагуляции существенное влияние оказывает солевой состав воды.