Теоретические основы коагулирования примесей воды

Одним из наиболее широко применяемых на практике приемов снижения содержания взвешенных и коллоидных примесей в воде является их седиментация (осаждение) под действием сил тяжести. Однако примеси, обусловливающие мутность и цветность природных вод, отличаются малыми размерами, вследствие чего их осаждение происходит крайне медленно, так как силы диф­фузии превалируют над силами тяжести. Кроме того, наличие примесей коллоидного характера еще более осложняют процесс седиментации. Для ускорения процессов осаждения, фильтрования, флотации и повышения их эффективности прибегают к коагулированию примесей воды.

Рис. 1
Рис. 1. Схема строения коллоидной мицеллы (а) и изменения потенциала (б) в двойном электрическом слое: 1 — ядро; 2 — двойной электрический слой; 3 — его адсорбционная часть; 4 — его диффузная часть; АБ — межфазовый ε-потенциал; ВГ — электрокинетический ζ-потенциал; «-» — понециалопределяющие ионы; «+» — противоионы.

В результате коагуляции образуются агрегаты — более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления мелких (первичных). Первичные частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей (дисперсионной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и уменьшением их общего числа в объеме дисперсионной среды (в нашем случае — жидкости). Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных — гетерокоагуляцией.

Различают два типа коагуляции: коагуляция в свободном объеме (происходит в камерах хлопьеобразования) и контактная коагуляция (в толще зернистой загрузки или в массе взвешенного осадка).

Диспергированные, коллоидные и взвешенные примеси природных вод в большинстве случаев имеют одинаковые заряды, что обусловливает возникновение межмолекулярных сил отталкивания и агрегативную устойчивость. В технологии очистки воды производят частичное или полное удаление примесей, поэтому их агрегативную устойчивость стремятся нарушить, заряд их снизить до нуля или очень малых значений. Это достигается добавлением к воде коагулянтов: сульфатов алюминия, железа (II и III), хлорида алюминия и железа (III), алюмината натрия, оксихлорида алюминия и других веществ, которые либо нарушают агрегативную устойчивость примесей, либо образуют вследствие гидролиза коллоиды, которые их сорбируют.

Примеси природной воды позволяют рассматривать ее как гетерофазную систему, в которой вода является дисперсионной средой, а масса распределенных в воде коллоидных частиц — дисперсной фазой. Эти частицы представляют собой мелкие агрегаты кристаллического или аморфного строения с огромной удельной поверхностью, обладающей весьма значительной поверхностной энергией, а следовательно, и высокой адсорбционной емкостью. Это обстоятельство имеет большое значение, поскольку коагулирование связано с адсорбцией на коллоидных частицах примесей, содержащихся в воде.

Образованию коллоидных частиц предшествует формирование твердой фазы (ядра).

На границе раздела фаз возникает двойной электрический слой, представляющий собой тонкий поверхностный слой из пространственно разделенных электрических зарядов противоположного знака.

В дисперсных системах двойной электрический слой образуют ионы и дипольные молекулы. Ионный двойной электрический слой возникает либо в результате диссоциации ионогенных групп вещества твердой фазы, либо вследствие избирательной адсорбции ионов, идентич­ных ионам, образующим кристаллическую решетку твердой фазы, либо сходных с ними. При этом сильнее адсорбируются ионы, которые значительнее понижают свободную энергию поверхности твердой фазы.

В результате на границе между твердой фазой и раствором возникает подобие конденсатора, внутренняя обкладка которого образована потенциалопределяющими ионами, а наружная — противоионами — присутствующими в воде ионами противоположного знака. Противоионы группируются у поверхности ядра вследствие электрического притяжения между разноименными электрическими зарядами, образуя коллоидную частицу.

Из-за теплового движения ионов в воде и их отрыва слой окружающих частиц противоионов приобретает диффузионный характер.

Коллоидная частица вместе с окружающим ее диффузионным слоем называется мицеллой (Рис. 1).

Рис. 2

Рис.2. Кривые взаимодействия частиц

Необходимым условием слипания частиц дисперсной фазы является их сближение, достаточное для проявления сил межмолекулярного притяжения.

Для слипания коллоидных частиц необходимо преодолеть сопротивление так называемого «расклинивающего давления», обусловленного силами молекулярного сцепления воды с поверхностью частиц. На расстоянии 1 нм и меньше силы взаимного притяжения взаимодействующих частиц (Рис. 2) превалируют над силами сцепления в гидратном слое. При значительных расстояниях между ними гидратные слои являются термодинамически устойчивым стабилизирующим фактором.

При добавлении в очищаемую воду коагулянтов – противоположно заряженных коллоидов – происходит взаимная коагуляция двух систем.

Рис. 3

Рис. 3. Коллоидная частица золя гидроксида алюминия

На рисунке 3. представлена схема строения мицеллы золя гидроксида алюминия. Золь – система, состоящая из коллоидных частиц, распределенных в жидкой или газообразной среде. Если такой средой является вода, система называется гидрозолем.

Коллоидная частица золя гидроксида алюминия состоит из ядра, образованного гидроксидом алюминия, адсорбционно связанных с ним потенциалообразующих водородных ионов и некоторого количества ионов хлора. Количество ионов хлора меньше, чем количество ионов водорода, в результате чего данная коллоидная частица имеет положительный заряд.

Ионы водорода, и входящие в состав частицы противоионы хлора образуют двойной электрический слой. Отдельные ионы хлора образуют диффузионный слой и вместе с коллоидной частицей составляют мицеллу золя гидроксида алюминия.

В зависимости от условий формирования золя потенциалообразующие ионы и противоионы могут меняться местами. Так, золь гидроксида алюминия, образующийся при гидролизе солей алюминия, заряжен положительно при низких значениях рН воды и отрицательно — при высоких.

Поверхность коллоидной частицы золя приобретает заряд в результате ряда процессов: в щелочной среде кристаллическая решетка частицы достраивается гидроксильными нонами, находящимися в воде, приобретая отрицательный заряд; в нейтральной и кислой средах — положительный заряд возникает за счет адсорбции решеткой ионов А13+.

Это связано с тем, что гидроксид алюминия является типичным амфотерным соединением, обладая как кислым, так и оснόвными свойствами.

Амфотерность (двойственность свойств) гидроксидов и оксидов многих элементов проявляется в образовании ими двух рядов солей. Например, в одних реакциях А1(ОН)3 и А12Оэ проявляют свой­ства основных гидроксидов и оксидов, то есть они подобно щелочам реагируют с кислотами и кислот­ными оксидами, образуя соль, в которой алюминий является катионом А13+. В других реакциях А1(ОН)3 и А12О3 выполняют функцию кислотных гидроксидов и оксидов, образуя соль, в которой атом алюминия А1ш входит в состав аниона (кис­лотного остатка) AlO.

Сам элемент алюминий проявляет в этих соедине­ниях свойства металла и неметалла. Следовательно, алюминий – амфотерный элемент. Подобные свойства имеют также элементы А-групп – Be, Ga, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Po и другие, а также боль­шинство элементов Б-групп – Сг, Mn, Fe, Zn, Cd и другие, что является условием избирательной адсорбции ионов этих элементов при формировании коллоидных частиц и дальнейшей очистке воды от них с помощью алюминийсодержащих коагулянтов.

В водоподготовке применяют следующие алюминийсодержащие коагулянты: сульфат алюминия, оксихлорид алюминия, алюминат натрия (табл. 2).

Коагулянт Формула Содержание, % по массе,
Al2О3 нерастворимых примесей
Сульфат алюминия неочищенный A12(SО4)3·18 Н2О >9 <30
Сульфат алюминия очищенный Al2(SO4)18 Н2О A12(S04)3·14 Н2О A12(S04)3·14 Н2О >13,5
17… 19
28,5
<1

3,1
Оксихлорид алюминия А12(ОН)5С1·6Н2О 40…44
Алюминат натрия NaA1О2 45…55 6…8

Оксихлорид алюминия содержит 40…44% А12О3 и не содержит нерастворимых примесей. При его применении минерализация воды возрастает, а ее щелочность снижается в меньшей степени, чем при введении сульфата алюминия, что особенно важно при обработке мягких вод.

Правильный выбор дозы коагулянта имеет первостепенное значение для коагулирования примесей воды. Под дозой коагулянта подразумевается определенное количество реагента, которое добавляется к единице объема обрабатываемой воды. Доза коагулянта измеряется в мг/л, г/м3.

Наглядное представление о влиянии дозы коагулянта на про­цессы осветления и обесцвечивания воды дает коагуляционная кривая (Рис. 3). Ее можно разбить на три зоны. В первой зоне при малых дозах коагулянта эффект осветления и обесцвечивания воды отстаиванием или фильтрованием незначителен. Во второй зоне увеличение дозы коагулянта резко сказывается на эффекте осветления и обесцвечивания воды. Граница между первой и вто­рой зонами носит название порога коагуляции. В третьей зоне увеличение дозы коагулянта не дает заметного улучшения эффекта осветления и обесцвечивания воды. Кривая практически параллельна оси абсцисс. Граница между второй и третьей зонами носит название оптимальной дозы.

Рис. 3

Рис. 3. Коагуляционная кривая: а – порог коагуляции; б – оптимальная доза коагулянта.

Анализ коагуляционной кривой позволяет убедиться в том, ка­кое огромное значение оказывает доза коагулянта на процессы осветления и обесцвечивания воды. Все характерные точки коагуляционной кривой (порог коагуляции, оптимальная доза, размеры зон) зависят от качества и свойств исходной воды. Не существует единой коагуляционной кривой, однако их характер одинаков.

Применение коагулянтов, в состав которых входят гидроксихлориды алюминия различной степени основности, даёт следующие преимущества:

  • ускорение хлопьеобразования;
  • поддержание концентрации остаточного алюминия в очищенной воде в пределах, требуемых ГОСТ;
  • проведение эффективной коагуляции при низких температурах;
  • расширение рабочего диапазона по рН и щелочному резерву;
  • отсутствие жестких требований по дозировке в связи с низким порогом коагуляции;
  • высокая прочность хлопьев, увеличивающая эффективность фильтрации и чёткость границы осветлённой зоны при отстаивании.