3. Физико-химические основы коагулирования примесей воды

Коагуляцией примесей воды называется процесс укрепления мельчайших коллоидных и диспергированных частиц, происходящий вследствие их взаимного слипания под действием сил молекулярного притяжения. В процессе коагуляции образуются видимые невооруженным глазом агрегаты – хлопья, которые отделяются от жидкой сферы.

В природных водах гидрофильные примеси в основном представлены органическими веществами. На их поверхности удерживается значительное количество воды в виде гидратной оболочки, обусловленное наличием поверхностных полярных групп, таких как –OH, –COOH и др., которые водорастворимы. Они и удерживают вокруг частицы гидратную оболочку. Гидрофильные частицы обычно несут небольшие электрические заряды, как правило, под влиянием электролитов не коагулируют.

Частица ила, глины, пылевидные частицы песка и подобная им взвесь природных вод являются гидрофобными примесями. Они практически лишены гидратной оболочки, но имеют двойной электрический слой и имеют значительные электрические заряды. Ликвидация или уменьшение электрического заряда частиц приводит к нарушению агрегативной устойчивости и коагуляции гидрофобных примесей.

Для гидрофобных частиц характерна кристаллическая структура и большая удельная поверхность, на которой адсорбируются присутствующие в воде ионы.

В целом ядро с адсорбционным и диффузным слоями называется мицеллой (строение мицеллы рассматривалось ранее в п.1.7).

В состоянии покоя мицелла электронейтральна, так как заряд гранулы нейтрализуется противоионами диффузного строя.

Между коллоидными примесями воды существуют молекулярные силы взаимного притяжения, называемые Ван-дер-Ваальсовыми силами, которые действуют на небольшом расстоянии между взаимодействующими частицами и с увеличением расстояния между ними убывают, а при сближении частиц силы отталкивания и притяжения возрастают. Если частицы движутся с большой скоростью, то они преодолевают «барьер» и преобладающими становятся силы притяжения, и они укрупняются объединяясь.

Коагуляция природных гидрофобных коллоидов, имеющих обычно -потенциал в пределах 0,05…0,1 В, становится возможной при снижении электролитического потенциала до 0,03 В и меньше. Оптимально, когда электрический потенциал равен нулю. Такое состояние коллоидной системы называют изоэлектрическим, а величина pH, отвечающая ему, называется изоэлектрической точкой системы (pН_из). То есть pН_из изоэлектрической точки — это значение pH среды, в которой находится частица и отталкивающие силы минимальны или равны нулю.

При добавлении в воду коагулянтов происходит постепенное снижение электрокинетического потенциала, иногда вплоть до нуля.

При добавлении к воде коагулянта первоначально формируются хлопья (в виде цепочки) из одного реагента, так как обычно в природных водах условия для коагуляции более благоприятные, чем для примесей воды. На поверхности сформировавшихся хлопьев коагулянта адсорбируются примеси воды. В свою очередь цепочки коагулянта могут прилипать к поверхности крупных примесей. Таким образом образуются глобулы (хлопья), при осаждении которых достигается осветление, обесцвечивание воды. Кроме того, на поверхности хлопьев могут адсорбироваться растворенные органические вещества, обусловливающие привкусы и запахи воды, чем достигается определенная ее дезодорация.

Действие коагулянта в воде сводится к трем основным процессам: собственно, коагуляции, флокуляции, осаждения и сорбции.

Вначале при внесении в обрабатываемую воду коагулянта (сульфата алюминия, железного купороса и др.) происходит его диссоциация на ионы металла и анионы сильных кислот. Ионы трехвалентных металлов, принимая

участие в обмене с одновалентными катионами диффузного слоя гидрофобных

примесей воды, способствуют уменьшению их агрегативной устойчивости и вследствие этого сжатию диффузного слоя.

Поскольку природные воды имеют запас щелочности, то введенный катион алюминия вступает во взаимодействие с карбонат- и гидрокарбонат-ионами с образованием малорастворимого гидроксида алюминия:

;

.

При использовании в качестве коагулянта железного купороса FeSO₄ в результате нейтрализации образуется гидроксид железа (II) Fe(OH)₂, который в присутствии растворенного кислорода в воде очень быстро переходит в гидроксид железа (III):

;

;

.

Гидроксиды алюминия и железа образуют в виде золи с положительным зарядом на грануле. Эти коллоидные частицы усиливают общее коагулирующее действие введенных солей.

Если в качестве коагулянта применяется сернокислый алюминий , в зависимости от условий процесса гидролиза возможно образование коллоидов малорастворимых оснований солей алюминия:

;

;

.

Выделившиеся при этом ионы водорода задерживают дальнейший ход реакции и снижают величину pH воды, что сдвигает от изометрической точки гидроксид алюминия и основные его соли, и ухудшает тем самым условия их коагуляции. Связывание ионов водорода происходит за счет взаимодействия их с анионами щелочности воды:

;

;

;

При недостатке щелочного резерва к воде добавляют известь или соду (процесс подщелачивания).