Способность дисперсных систем сохранять определенную степень дисперсности называется агрегативной устойчивостью.
Частицы дисперсной фазы сопротивляются слипанию за счет разных механизмов. Данная способность обусловлена во-первых образованием на поверхности частиц дисперсной фазы двойного электрического слоя, обеспечивающего электрическую стабилизацию дисперсной системы. Во-вторых, работает молекулярно-адсорбционный механизм стабилизации, заключающийся в образовании вокруг частиц слоёв адсорбции, состоящих из молекул дисперсной среды и растворённых в ней веществ. В-третьих, существует кинетический фактор устойчивости - малая частота столкновений дисперсных частиц.
Золи (коллоидные растворы) отличаются от грубодисперсных и молекулярных систем агрегативной неустойчивостью, поэтому они меняются как во времени, так и при добавках различных веществ.
Суть механизма очистки воды от взвешенных коллоидных частиц состоит в нарушении равновесного состояния системы - устранения баланса сил, не позволяющих частицам осесть.
Для достижения этой цели использует процесс коагуляции коллоидных примесей (упрощённо - коагуляция воды).
Коагуляция - процесс слипания коллоидов в более крупные агрегаты, происходящее в результате их столкновений при броуновском движении, смешении или направленном перемещении во внешнем силовом поле, добавлении коагулянтов. При этом происходит выпадение осадка - коагулята.
Коагулянты (обычно это растворимые соли железа или алюминия) интенсифицируют процесс коагуляции. Введение в воду этих веществ способствует образованию новой малорастворимой фазы (в результате гидролиза - взаимодействия вещества с водой). Таким образом, процесс коагуляции заключается в прогрессирующем укрупнении частиц и уменьшении их численности в объёме дисперсионной среды.
Коагуляция бывает медленная и быстрая. При медленной коагуляции только незначительная часть соударений частиц-коллоидов приводит их к слипанию, а коагулят не выпадает. При быстрой коагуляции каждое соударение обладает эффективностью и влечёт слипание частиц, а в коллоидном растворе постепенно образуется осадок.
Минимальную концентрацию дозируемого вещества (электролита или не электролита), инициирующего процесс коагуляции в системе с жидкой дисперсионной средой, называют порогом коагуляции. При определенных условиях коагуляция обратима. Процесс перехода коагулята обратно в золь называют пептизацией, а провоцирующие этот процесс вещества - пептизаторами. Пептизаторы, являясь стабилизаторами дисперсных систем, адсорбируются на поверхности частиц, ослабляя взаимодействие между ними, в результате чего происходит распад агрегатов. Особенно эффективно возврат в первичное состояние проходит при вводе в среду поверхностно-активных веществ, снижающих поверхностную межфазную энергию и облегчающих диспергирование.
Рассмотрим, какие процессы протекают при добавлении в коллоидный раствор сульфата железа (III). Этот коагулянт в водном растворе диссоциирует на ионы железа [Fe3+] и сульфат-ион [SO42-]:
Fe2(SO4)3 → 2 Fe3+ + 3 SO42-
Далее происходит многоступенчатый гидролиз, описываемый следующими уравнениями:
Fe3+ + H2O ↔ Fe(OH)2+ + H+
Fe(OH)2+ + H2O ↔ Fe(OH)2+ + H+
Fe(OH)2+ + H2O ↔ Fe(OH)3↓ + H+
Суммарное уравнение гидролиза:
Fe3+ + 3H2O ↔ Fe(OH)3↓ + 3H+
Мицелла - структурная единица лиофобных (слабо взаимодействующих с жидкостью) коллоидов, не имеющая определенного состава. Схематически ее строение на примере мицеллы гидроксида железа (III) может быть изображено схемой:
{mFe(OH)3 2nFe(OH)2+ (2n – x) SO42-}2x+ xSO42-
Микрокристалл гидроксида железа, образующий коллоидную частицу (см. рисунок), избирательно адсорбирует из окружающей среды ионы, идентичные ионам его кристаллической решетки. В зависимости от химического состава раствора (избыток сульфат – ионов или избыток ионов железа) микрокристалл приобретает отрицательный или положительный заряд. Такой заряженный кристалл называется ядром мицеллы, а сообщают ему этот заряд потенциалопределяющие ионы.
Электрическое поле заряженной поверхности кристалла притягивает из раствора противоионы –ионы, несущие противоположный заряд. На границе раздела фаз образуется двойной электрический слой, толщину которого определяет внешняя граница облака противоионов.
Двойной электрический слой состоит из адсорбционой и диффузной частей. Адсорбционный слой включает в себя потенциалобразующие ионы и часть противоионов, адсорбированных на поверхности ядра. Диффузный слой достраивают остальные противоионы в количестве, способствующем электронейтральности мицеллы.
Двойной электрический слой, окружающий коллоиды, под воздействием коагулянтов (электролитов), перестраивается: противоионы начинают вытесняться из диффузной в адсорбционную часть, и толщина всего электрического слоя со временем уменьшается до толщины адсорбционного слоя. Дисперсные частицы попадают в область взаимного притяжения, и наступает быстрая коагуляция.
Чаще всего для очистки воды коагуляцией на отечественных станциях водоподготовки и в бассейнах используют 18-ти водный кристаллогидрат сульфата алюминия - Al2(SO4)3 • 18 H2O.
Процессы, протекающие при введении в воду солей алюминия, аналогичны вышеописанным при добавлении солей железа:
Al3+ + H2O ↔ Al(OH)2+ + H+
Al(OH)2+ + H2O ↔ Al(OH)2+ + H+
Al(OH)2+ + H2O ↔ Al(OH)3↓ + H+
Суммарное уравнение гидролиза:
Al3+ + 3H2O ↔ Al(OH)3↓ + 3H+
Образование осадка гидроксида алюминия происходит при значениях рН в диапазоне от 5 до 7,5. При рН < 5 осадок не образуется. При рН > 8,5 идет растворение образованного гидроксида алюминия с образованием алюминатов.
Al2(SO4)3 + 6 NaOH = 2 Al(OH)3↓ + 3 Na2SO4
Al(OH)3 + NaOH = Na[Al(OH)4] или (NaAlO2 • 2H2O)
Все большее распространение в процессах водоподготовки и очистки сточных вод получают коагулянты на основе полиоксихлорида алюминия.
Преимущества этих коагулянтов по сравнению с сульфатом алюминия:
• Поставка в виде растворов, что делает более удобным их применение (не надо растворять);
• Большее процентное содержание активного вещества;
• Получение очищенной воды более высокого качества;
• Сокращение объёма вторичных отходов;
• Низкое остаточное содержание алюминия (< 0,2 мг/л);
• Не требуется корректировать рН;
• Широкий диапазон рабочих температур.
Технические характеристики таких коагулянтов производства ОАО «АУРАТ»:
Один из вариантов очистки методом коагуляции - контактная коагуляция. Контактная коагуляция происходит на зёрнах загрузки напорных вертикальных фильтров механической очистки. При этом введение коагулянта осуществляется непосредственно перед механическим фильтром. Зерна загрузки и частицы, адсорбированные на них, служат центрами коагуляции. Процесс хлопьеобразования в этом случае значительно ускоряется.
Протекание процесса коагуляции с более высокой скоростью и отсутствие необходимости в отстойниках для формирования и осаждения хлопьев осадка являются несомненными преимуществами контактной коагуляции.
К недостаткам контактной коагуляции относится ускоренное загрязнение напорных фильтров и потребность в частой регенерации загрузки, а также опасность проскока реагента в случае неправильного подбора режима коагуляции/фильтрования.
Чтобы проверить - осуществляется ли контактная коагуляция или нет, воду после механических фильтров проверяют на содержание коагулянта.
Уважаемые господа, если у Вас имеется потребность реализации очистки воды с помощью коагулянтов для доведения качества воды до определённых нормативов, сделайте запрос специалистам компании Waterman. Мы разработаем для Вас оптимальную технологическую схему очистки воды.
