Коагулирование воды. Обработка воды коагулированием - добавление в воду раствора солей Fe и Al, или их смеси

Обработка воды коагулированием - добавление в воду раствора солей Fe и Al, или их смеси. Коагулирование - это процесс укрупнения коллоидных частиц за счет их слипания под влиянием молекулярных сил притяжения.

Наиболее часто применяемые коагулянты:

- сульфат алюминия (очищенный) - А1₂(SО₄)₃* 18H₂O

- алюминат натрия - NaAlO₂

- полихлорид алюминия - Аl₂(ОН)_п*С1_6-п

- квасцы алюмокалиевые - KAl(SO₄)₂* 12Н₂О

- хлорное железо - FеС1₃*6Н₂O

- железный купорос - FeSO₄*7H₂O и т.д.

Коллоидные системы состоят из воды, являющейся дисперсной средой, и массы распределенных в ней коллоидных частиц, являющимися дисперсной фазой. Устойчивость коллоидных систем зависит абсорбционных и электрокинетических свойств коллоидных части обладающих сложной структурой (адсорбция - явление изменения содержания данного компонента в поверхностном слое по сравнению; с содержанием его во внутренних слоях). При погружении в природную воду, т.е. раствор электролита, твердого тела поверхность его выделяет или адсорбирует из него ионы. Адсорбируются обычно ионы, входящие в состав этого твердого тела. В результате поглощения ионов или выделения их в раствор поверхность тела приобретает заряд. Противоположно заряженные ионы, находящиеся растворе, собираются у его поверхности вследствие электростатического притяжения, образуя коллоидную частицу.

Тепловое движение ионов в растворе сообщает слою окружающих частицу противоионов диффузный характер (чем дальше от поверхности частицы, тем меньше концентрация избыточных против ионов).

Коллоидная частичка вместе с окружающим диффузным слоем называется мицеллой. Формула мицеллы золя гидроксида железа:

{m[Fe(OH)₃]n ,

где Fe(OH)₃ - ядро

nH⁺ - потенциально образованные ионы;

и - противоионы (образуют второй электрический слой);

в результате частица имеет положительный заряд;

образуют диффузный слой.

Рис. 3.1. Мицелла

Формула мицеллы золя, образующегося при гидролизе хлорида алюминия:

{m[Al(OH)₃]n .

В отличие от золей коагулянтов большинство природных вод заряжено отрицательно. К таким коллоидам относятся кремнекислота и гуминовые вещества: мицелла SiO₂ имеет следующий вид:

{(Si0₂)mnSi 2(n-x)H⁺}2x H⁺

При движении коллоидных частиц некоторый слой ионов ос­тается неподвижным, связанным с их поверхностью. Часть же ио­нов диффузного слоя отрывается от частицы, при этом возникает разность потенциалов, так называемый дзета-потенциал ( -потенциал), который может рассматриваться как мера стабильности коллоидных систем. При снижении - потенциала уменьшается ста­бильность системы. Коагуляция коллоидных систем наступает при критическом значении - потенциала, когда силы отталкивания ме­жду одноименно заряженными частицами уменьшаются, частицы слипаются, увеличиваются в размерах, происходит коагуляция и образование осадка.

Коагуляция также происходит при сжатии диффузного слоя, при добавлении в раствор коагулянта. При этом расстояние между колло­идными частицами снижается.

В водоподготовке применяются следующие коагулянты: соли слабых оснований и сильных кислот (сульфаты алюминия и железа). При растворении их в воде в результате гидролиза образуются мало­растворимые основания.

Гидролиз солей алюминия, используемых в качестве коагулянта:

или суммарно:

Степень гидролиза возрастает со снижением концентрации раствора, а также при увеличении его температуры и рН. Гидролиз алюминия - амфотерное соединение, т.е. обладает кислыми и щелочными свойствами.

Концентрация водородных ионов, при которой гидролиз алюминия имеет минимальную растворимость, находится в пределах рН = 6 Осаждение гидроксида алюминия начинается при рН = 3 и достигает полноты при рН = 7. При дальнейшем увеличении рН осадок начинает растворяться, при рН = 9 растворение становится заметным.

Гидролиз железного купороса протекает в два этапа:

или суммарно:

Гидролиз железа происходит быстрее при рН = 5 . Таким образом, при добавлении к воде растворов в течение нескольких секунд происходит гидролиз солей железа или алюминия и образуются коллоидные частицы гидроксида этих металлов. Коллоидные примеси из воды адсорбируются на поверхности частиц гидроксидов металлов, и осаждение происходит под действием растворенных в воде электролитов.

Оптимальная доза коагулянта, при которой достигается достаточно быстрое осветление, зависит от физико-химических свойств примесей воды, а также от ее температуры. Эту дозу невозможно установить, пользуясь только данными анализа воды. Определяют ее экспериментальным методом лабораторного коагулирования. Опыты по определению оптимальной дозы коагулянта и оптимальных значений рН нужно проводить по сезонам года, чтобы иметь возможность корректировать их в зависимости от изменения состава воды.

Дни интенсивного процесса коагуляции в дополнение к основным коагулянтам применяют флокулянты, которые по химическому составу бывают: минеральные (активированная кремниевая кислота) и органические (полиакрил натрия, полиакриламид). Некоторая интенсификация процесса может быть достигнута применением окислителей: O₂, O₃, С1₂ или KMnO₄ (перманганат калия). На рис. 2.2 приведена схема осветлителя типа ЦНИН.