2. Очистка воды методом коагуляции

2.1. Сущность и механизм коагуляции

Коагуляция – это процесс, при котором происходит понижение степени дисперсности коллоидных примесей в результате агломерации их частиц с образованием макрофазы. (Или: коагуляция – физико-химический процесс укрупнения коллоидных частиц за счет их слипания под действием молекулярных сил притяжения).

Образующаяся при коагуляции твердая макрофаза называется коагулятом, имеет аморфное строение, отличается малой плотностью и механической прочностью.

Процесс коагуляции происходит в результате нарушения агрегативной устойчивости коллоидной системы, которая обусловлена тем, что в данном коллоидном растворе все коллоидные частицы имеют одинаковый по знаку электрический заряд. Так как между частицами с одинаковыми по знаку зарядами действуют силы электростатического отталкивания, взаимного соединения частиц не происходит.

Возникновение электрического заряда коллоидных частиц обусловливается либо адсорбцией ими из раствора ионов одного какого-либо знака заряда, либо отдачей ими в раствор ионов также одного какого-либо знака.

Рассмотрим появление заряда коллоидных частиц на примере метакремниевой кислоты Н₂SiО₃, являющейся по существу полимером . С поверхности частицы, имеющей коллоидные размеры, в результате гидратации и диссоциации в раствор переходят ионы водорода; теряя ионы водорода, твердая фаза приобретает отрицательный заряд.

Для твердой фазы коллоидной кремниевой кислоты ионы НSiО₃^- и SiО₃^2- являются потенциалообразующими, а ионы водорода – противоионами, причем часть противоионов находится непосредственно у поверхности твердой фазы, остальные распределены в некотором объеме жидкости, окружающем коллоидную частицу. Потенциалообразующие частицы и противоионы, находящиеся у поверхности твердой фазы и прочно связанные с ней электростатическими силами, образуют адсорбционный слой (ВЕ). Те ионы, которые перешли в раствор, испытывают на себе действие сил:

1. силы, стремящейся распределить их по всему объему раствора.

2. силы электростатического притяжения со стороны твердой фазы.

В результате действия этих сил вокруг коллоидной частицы образуется диффузионный слой ионов, называемый также ионной атмосферой (ЕС). Адсорбционный и диффузионный слои составляют двойной электрический слой (ДЭС) – (ВС).

Между твердой фазой и раствором возникает скачок потенциала (термодинамический потенциал) φ, который уменьшается по мере удаления от поверхности раздела фаз (кривая АС характеризует уменьшение потенциала). При φ = 0 частица является нейтральной.

Из за своих малых размеров коллоидная частица в растворе находится в непрерывном движении (броуновское). В результате трения вместе с твердой фазой перемещается и некоторый слой окружающей ее жидкости толщиной ВЕ. Вместе с этим слоем коллоидная частица по отношению к остальному объему жидкости является отрицательно заряженной. Заряд ее определяется значением потенциала на границе между адсорбционным и диффузионным слоями. Этот потенциал получил название электрокинетического или (дзета) потенциала.

Этот потенциал характеризует агрегативную устойчивость коллоидной системы. Чтобы ее нарушить, необходимо устранить силы отталкивания, действующие между коллоидными частицами и препятствующие их соединению друг с другом, то есть нужно понизить ζ – потенциал.

Способы уменьшения ζ – потенциала:

1. Добавление к коллоидной системе электролитов.

При этом вокруг твердой фазы повышается концентрация противоположно заряженных ионов (одноименно заряженные твердой фазой отталкиваются). Радиус ионной атмосферы уменьшается, кривая падения полного потенциала проходит круче и пересекает границу между адсорбционным и диффузным слоями при меньших значениях потенциала.

Агрегативная устойчивость системы нарушается, происходит электролитная коагуляция.

Однако в водоподготовке электролитная коагуляция не используется, так как приводит к повышению общего солесодержания воды. Поэтому при очистке воды используют второй способ, основанный на принципе взаимной коагуляции коллоидов.

2. Взаимная коагуляция коллоидных растворов заключается в том, что к коллоидному раствору, частицы которого имеют, например, отрицательный заряд, добавляют другой коллоидный раствор с положительно заряженными частицами. При этом происходит нейтрализация противоположных зарядов коллоидных частиц, их агломерация и образование твердой фазы.

Так как коллоидно-дисперсные примеси природных вод (кремниевые, гуминовые кислоты, примерная формула С₆ОН₅₂О₂₄(СООН)₄) характеризуются отрицательным знаком ζ – потенциала, для их коагуляции применяют коллоидные растворы, имеющие положительный ζ – потенциал.

При коагуляции воды положительно заряженный раствор вводят не в готовом виде, а получают непосредственно в обрабатываемой воде.

Реагенты, добавляемые к воде для осуществления коагуляции, называются коагулянтами.

Наибольшее распространение получили Аl₂(SО₄)₃ и FеSО₄. При добавлении их в воду происходят следующие процессы:

1. диссоциация:

А l₂(SО₄)₃ 2Аl³⁺ + 3SО₄^2-

FеSО₄ Fе ²⁺ + SО₄^2-

2. гидролиз:

Аl³⁺ + Н₂О АlОН²⁺ + Н⁺

АlОН²⁺ + Н₂О Аl(ОН)₂⁺ + Н⁺

А l(ОН)₂⁺ + Н₂О Аl(ОН)₃↓ + Н⁺

Fе²⁺ + Н₂О FеОН⁺ + Н⁺

FеОН⁺ + Н₂О Fе(ОН)₂↓ + Н⁺

4Fе(ОН)₂ + О₂ + Н₂О 4Fе(ОН)₃↓

(при рН > 8)

На промежуточных стадиях гидролиза образуются положительно заряженные коллоидные частицы.

На этой скрытой стадии коагуляции происходит сложный комплекс процессов:

• взаимная коагуляция;

• электролитная коагуляция под влиянием ионов SО₄^2- и образующихся в первый момент ионов Аl³⁺;

• образование и сцепление микро хлопьев, захват ими ГДП и образование крупных хлопьев.