Коагуляция воды. Виды коагуляции в водоподготовке
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.
Коагуляция с применением солей железа
Рассмотрим, какие процессы протекают при добавлении в коллоидный раствор сульфата железа (III). Этот коагулянт в водном растворе диссоциирует на ионы железа [Fe 3+ ] и сульфат-ион [SO4 2- ]:
Далее происходит многоступенчатый гидролиз, описываемый следующими уравнениями:
Суммарное уравнение гидролиза:
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:
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.
Коагуляция с применением солей алюминия
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:
Суммарное уравнение гидролиза:
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.
Современные коагулянты
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»:
Контактная коагуляция
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.