2. Физико-химическая сущность коагулирования загрязнений природных вод

Загрязнения природных вод, особенно те, которые обуславливают ее цветность, очень трудно извлекаются без предварительной коагуляции (слипания) загрязнений (гумусовых, органических кислот).

Очень плохо слипаются коллоидные загрязнения. Все частицы, движущиеся в воде, несут на своей поверхности электрокинетический заряд, и 99% из них несут отрицательный заряд (так называемый -потенциал). Для улучшения процесса слипания надо либо свести заряд к минимуму, либо поменять знак, что практически невыполнимо.

2.1. Коагуляционные структуры

Природная вода является комплексом, в котором химически чистая вода называется дисперсионной средой, а находящиеся в ней загрязнения – дисперсной фазой.

Различают два типа структур дисперсной фазы: первичные и вторичные.

Первичные структуры – это структуры отдельных частиц загрязнений в суспензиях или золях. (Суспензия – это взвешенные в воде вещества, золь – это коллоидные вещества с водой; например, цветная вода – это золь.)

Вторичные структуры – это ассоциаты отдельных частиц, образующиеся вследствие их взаимодействия, слипания и последующего укрупнения.

Вторичная структура является коагуляционной структурой. Для образования коагуляционной структуры необходимо астабилизировать первичные частицы, а также превысить некоторую критическую концентрацию твердой фазы в суспензии либо в золе.

Образующиеся в системе жидкость–твердая фаза ассоциаты астабилизированных нерастворимых частиц могут укрупняться путем коагуляционных взаимодействий, формируя пространственную структуру, называемую коагуляционной.

На скорость структурообразования большое влияние оказывают размер, форма и поверхностные электрокинетические свойства, т. е. знак и величина заряда исходных частиц. Если частицы имеют сильный отрицательный заряд – они сильно отталкиваются друг от друга. При слабом отрицательном заряде укрупнить частицы легче. Плавное перемешивание массы воды и повышение ее температуры способствуют ускорению образования коагуляционных структур.

Свойства структуры в первую очередь определяются степенью астабилизации частиц. При неполной астабилизации структуры получаются рыхлые, легкие, а их внутренние полости заполнены водой. При высокой степени астабилизации частиц образуются более компактные, прочные и тяжелые структуры.

Основным средством снижения устойчивости от взаимного слипания взвешенных и коллоидных частиц природной воды являются химические вещества, называемые коагулянтами.Среди них наиболее распространены сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃∙16H₂O, сульфат железа Fe₂(SO₄)₃, хлорид железа FeCl₃, хлорид алюминия AlCl₃, гидроксохлорид алюминия Al₂(OН)₅Cl, оксохлорид.

Основная причина коагуляции – это способность указанных солей подвергаться гидролизу в водной среде. Процесс гидролиза в свободном объеме воды можно проследить на примере сульфата алюминия.

Гидролиз иона алюминия проходит ступенчато:

A l³⁺ + H₂O Al(OH)²⁺ + H⁺

A l(OH)²⁺ + H₂O + H⁺

+ H₂O = + H⁺

A l³⁺ + 3H₂O = + 3H⁺

мицелла^* гидроксида алюминия

(Мицелла – это ассоциат какого-то N-го количества молекул гидроксида алюминия).

В процессе очистки воды от взвешенных веществ мицеллы гидроксида алюминия, несущие на своей поверхности небольшой отрицательный заряд (или даже небольшой положительный заряд), сорбируются на поверхности частичек взвеси (частицы заряжены отрицательно), находящихся в очищаемой воде. В результате этого частицы взвеси покрываются плотным слоем частиц гидроксида алюминия, и, являясь поверхностью, стимулирующей адсорбционно-коагуляционное взаимодействие, способствуют образованию агрегированных коагуляционных структур.

Взвешенные, например, глинистые частицы, покрытые слоем более мелких частиц гидроксида алюминия, соединяются между собой посредством цепочечных структур гидроксида алюминия, образуя мостики. Это происходит при небольших концентрациях взвешенных частиц в воде. При повышенных концентрациях взвеси в воде частицы взвеси, покрытые слоем гидроксида алюминия, соединяются друг с другом без мостиков, образуя более плотную структуру (рис. 2.1).

а) б)

Р ис. 2.1. Структура хлопьев:

а – при малой концентрации взвеси в воде (мостики из гидроксида алюминия); б – при большой (повышенной) концентрации взвеси в воде (без мостиков): 1 – частица взвеси; 2 – мицелла гидроксида алюминия; 3 – частицы гуминовых веществ; 4 – мостик

В есь процесс осветления воды от образования мицелл гидроксида алюминия (железа) до осаждения можно условно разделить на несколько этапов. Схематично это представлено на рис. 2.2.

Р

T, ч

ис. 2.2. Этапы процесса осветления воды:

I – скрытая коагуляция (0,2 часа) – вода прозрачная; II –хлопьеобразование (увеличение мутности); III – седиментация (осаждение) – концентрация взвеси уменьшается; IV – завершение процесса осветления воды

Н

С, мг/л

а первом этапе – скрытой коагуляции – после введения в воду коагулянта происходит его гидролиз с образованием мицелл с последующим их агрегированием в более крупные частицы золя от 0,05 до 0,1 мкм (появляется опалесценция) – визуально: дымка в сосуде с водой (хорошо видна в солнечных лучах). Затем начинается этап построения цепочечных коагуляционных структур и образования огромного количества мельчайших хлопьев, которые объединяются (агрегируются) в более крупные и, достигнув определенных размеров, оседают под действием гравитации – наступает стадия осаждения (седиментации) – III этап, на котором концентрация взвеси уменьшается.

Скорость оседания скоагулированных загрязнений зависит от ряда факторов: чем выше плотность частиц, тем быстрее они будут осаждаться; чем больше мутность воды, тем более плотные и крупные хлопья образуются и тем быстрее они оседают. Высокоцветные воды образуют рыхлые хлопья.

Для быстрого осаждения в отстойных сооружениях хлопья должны иметь достаточную для этого плотность, которая зависит от концентрации твердых частиц в структуре хлопьевидного осадка.

Количество твердых частиц в хлопьях чистого гидроксида железа или алюминия невелико и измеряется долями процента. Хлопья в этом случае имеют объемную плотность порядка = 1,03…1,04 г/см³. Процесс осаждения – длительный и неэффективный, что объясняется рыхлой структурой хлопьев и большим количеством связанной воды. Рыхлая, легкая структура хлопьев образуется при коагулировании маломутных вод, а более плотные и тяжелые хлопья с плотностью = 1,04…1,07 г/см³ образуются при более высокой концентрации взвеси в воде. При этом частицы взвеси покрываются частицами гидролизованного коагулянта. Процесс обесцвечивания воды по своей физико-химической сущности несколько отличается от процесса осветления воды от взвеси. После гидролиза введенного в воду коагулянта и формирования гидроксида в виде мельчайших хлопьев получается огромное количество активных поверхностей с небольшим положительным либо отрицательным -потенциалом. Коллоидные частицы, обуславливающие цветность воды, несущие на своей поверхности отрицательный -потенциал, адсорбируются на поверхности мельчайших хлопьев гидроксидов. Величина адсорбции коллоидных частиц цветности пропорциональна их дисперсности (крупности). Различают мелко-, средне- и крупнодисперсные частицы. Чем выше дисперсность коллоидных частиц, тем сильнее их адсорбция на мельчайших частицах гидроксида.

На степень очистки воды влияют такие параметры гидроксидов, как удельная поверхность, прочность и адсорбционная активность.

На IV этапе процесс осветления воды завершается.