7 Лекция. Методы очистки воды очистка воды коагуляцией
 Скачать 240.29 Kb.
|
|
МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ВОДЫ Очистка воды коагуляцией Природные воды являются полидисперсными системами , то есть в них могут содержаться частицы , размеры которых соответствуют разме K рам коллоидных (10 –4 –10 –7 см ) и грубодисперсных (10 –4 –10 –2 см ) частиц Грубодисперсные системы отличаются от высокодисперсных тем , что частицы дисперсной фазы оседают ( или всплывают ) в гравитационном поле , не проходят через бумажные фильтры и видимы в обычный микро K скоп Частицы высокодисперсных систем задерживаются ультрафильт K рами ( целлофан , пергамент ), практически не оседают ( не всплывают ). В зависимости от агрегатного состояния все дисперсные системы можно разделить на типы Тип записывают обычно в виде дроби с индексом ( первая буква названия состояния ) дисперсной фазы в числителе и с индексом дисперсионной среды в знаменателе В общем случае высокодисперсные системы называют золями ( гидрозолями , органозолями – по характеру дисперсионной среды ). Грубодисперсные системы типа Т / Ж носят название суспензий , типа Ж / Ж – эмульсий Взаимодействие между дисперсной фазой и дисперсионной средой за счет межмолекулярных сил на границе раздела фаз протекает всегда , но степень его проявления различна В зависимости от этого дис K персные системы разделяют на лиофильные и лиофобные ; для первых характерно сильное межмолекулярное взаимодействие вещества дис K персной фазы со средой , для вторых – слабое Все дисперсные системы можно разделить на два класса – свобод K нодисперсные , в которых частицы дисперсной фазы не связаны между собой и могут перемещаться свободно ( суспензии , эмульсии , золи ) и связнодисперсные , в которых одна из фаз не перемещается свободно , поскольку структурно закреплена Высокомолекулярные соединения ( ВМС ) и их растворы занимают особое место в коллоидно K химической классификации Растворы ВМС , являясь , по существу , истинными молекулярными растворами , обладают в то же время многими признаками коллоидного состояния Действительно , по многим свойствам ( диффузия , задержка на ультра K фильтрах , структурообразование , оптические и электрические свой K ства ) растворы ВМС стоят ближе к коллоидным системам , нежели к молекулярным растворам Поскольку растворы ВМС диалектически сочетают свойства молекулярных растворов и коллоидных систем , иногда их называют молекулярными коллоидами Методы получения дисперсных систем делят на диспергационные и конденсационные Лиофильные коллоидные системы ( например растворы ВМС ) получаются при самопроизвольном растворении их в подходящем растворителе Лиофильные системы термодинамически устойчивы (G<0) и характеризуются самопроизвольным диспергированием Процесс идет вследствие уменьшения свободной энергии при меж K молекулярном взаимодействии ( сольватации ) и увеличения энтропии ( энтропия смешения ). Системы , в которых самопроизвольного дис K пергирования не происходит , называют лиофобными Для лиофобных систем характерны механические способы , в которых преодоление межмолекулярных сил и накопление свободной поверхностной энергии в процессе диспергирования происходят при совершении внешней механической работы над системой В природе , например , дисперсные системы образуются в результате дробления и истирания твердых пород под действием воды , ледников , процессов выветривания и выщелачивания ( где присоединяется и химическое взаимодействие ) ( см разд . 1). Важнейшие физические методы получения дисперсных систем – конденсация из паров и замена растворителя Наглядный пример кон K денсации из паров – образование тумана В данном случае образование гетерогенной системы происходит в результате изменения параметров системы ; в частности , при понижении температуры давление пара может стать выше равновесного давления пара над жидкостью и в газовой фазе возникает новая жидкая фаза Химическая конденсация основана на выделении новой фазы из пересыщенного раствора Однако , в отличие от физических методов , вещество , образующее дисперсную фазу , появляется в результате химической реакции В природных водах широко распространены процессы окисления и гидролиза гидрокарбоната Fe(II), происходящие при выходе их в поверхностные зоны : 4Fe(HCO 3 ) 2 + O 2 + 2H 2 O = 4Fe(OH) 3 + 8CO 2 Образующийся золь гидроксида железа сообщает природным водам красно K бурую окраску Двойной электрический слой. Особые электрические свойства дисперсных систем были впервые обнаружены профессором Москов K ского университета Ф Ф Рейссом в 1808 г Исследуя закономерности электролиза , Рейсс , чтобы предотвратить взаимодействие продуктов электролиза , разделил анодное и катодное пространство в UK образной трубке диафрагмой из толченого песка При пропускании электри K ческого тока через эту систему Рейсс обнаружил перенос жидкости из анодного в катодное пространство Такое явление получило название электроосмоса Движение в электрическом поле частиц дисперсной фазы – электрофорез – было обнаружено Рейссом в аналогичных экспериментах с тем отличием , что роль пористой диафрагмы играла высокодисперсная глина Позднее в 1859 г Квинке наблюдал явление , обратное электро K осмосу , – возникновение электрического тока и разности потенциалов при протекании жидкости через пористую диафрагму Это явление получило название тока и потенциала протекания Явление возникновения электрического тока и разности потен K циалов при оседании частиц в поле силы тяжести было обнаружено в 1878 г Дорном и названо током и потенциалом седиментации Эта группа эффектов , в которых проявляется взаимосвязь электрических процессов и относительного перемещения дисперсной фазы и диспер K сионной среды , носит общее название электрокинетических явлений Квинке первым высказал предположение о том , что возникновение электрокинетических явлений связано с пространственным разде K лением зарядов вблизи поверхности фаз Рассмотрим процесс образования ДЭС на примере образования золя AgJ при сливании растворов нитрата серебра и йодида калия : AgNO 3 + KJ AgJ + KNO 3 В зависимости от условий ( температура , скорость сливания и др .) образуются микрокристаллики AgJ большей или меньшей дисперсно K сти После окончания реакции в растворе присутствуют ионы Ag + и J – , и их концентрации связаны произведением растворимости ( для AgJ – ПР AgJ = 10 –16 ). Если исходные компоненты были взяты не в стехиомет K рических соотношениях , то один из этих ионов ( например Ag + ) может оказаться в растворе в избытке , начнет переходить из раствора в твердую фазу и занимать вакантные места , достраивая кристалли K ческую решетку При этом твердая фаза приобретает положительный заряд Избыточные анионы притягиваются к положительно заряжен K ной поверхности под действием электростатических сил Таким обра K зом , на границе раздела фаз образуется ДЭС , подобный конденсатору По аналогии с конденсатором иногда используют понятия внут K ренней обкладки , находящейся в поверхностном слое со стороны твер K дой фазы , и внешней обкладки – со стороны жидкой фазы Ионы , со K ставляющие внешнюю обкладку , называют противоионами ( в данном случае 3 NO ). Ионы , образующие внутреннюю обкладку и вызыва K ющие возникновение межфазного потенциала ( в данном примере Ag + ), называют потенциалопределяющими Они достраивают кристалли K ческую решетку в том случае , если входят в ее состав (Ag + , J – ) или являются изоморфными (Cl – , Br – ). Такие образования , называемые мицеллами гидрофобных золей , изображают с помощью химических формул : {[AgJ] m nAg + (nKx)NO 3 K }xNO 3 K Отметим , что помимо описанной " достройки " поверхности твердой фазы ионами , присутствующими в дисперсионной среде , существуют и другие причины возникновения двойного электрического слоя 1. Переход какого K либо иона из одной фазы в другую при установ K лении электрохимического равновесия Например , при опускании пластинки серебра в раствор AgNO 3 с достаточно малой концентрацией ионов Ag + на поверхности металла возникает отрицательный заряд за счет перехода ионов Ag + из металла в раствор 2. Ионизация молекул твердой фазы , например диссоциация поверхностных групп силикатов в водной среде : В результате взаимодействия с водой на поверхности кремнезема образуются силанольные группы , которые диссоциируют по кислот K ному типу : При этом ионы Н + образуют внешнюю обкладку у поверхности твердой фазы Возникает ДЭС с внутренней обкладкой , опре K деляющей заряд коллоидной частицы Отметим , что с увеличением рН раствора отрицательный заряд рас K смотренной поверхности возрастает Для амфотерных поверхностей , например гидроксидов Al, Fe, уменьшение рН приводит к изменению отрицательного знака заряда поверхности на положительный с перехо K дом через изоэлектрическую точку ( см далее коагулянты , подразд . 7.2). Вблизи поверхности раздела фаз величины стандартных хими K ческих потенциалов для различных ионов меняются от значений , Si ОН Si О + Н + SiO – SiOH O SiOH SiO K + H + O SiO K + H + соответствующих объему одной фазы , до значений , характерных для объема другой фазы Это приводит к перераспределению ионов между объемами фаз и поверхностью Обозначим через 0 величину поверхности твердой фазы отно K сительно дисперсионной среды ( в простейшем случае , если в твердой фазе нет преимущественного концентрирования ионов одного знака у поверхности ). Эта величина равна разности потенциалов между фазами ( абсолютное значение 0 не может быть определено экспери K ментально ). Вследствие малого радиуса действия адсорбционных сил можно условно выделить в двойном электрическом слое две основные части ( рис .7.1): более близкую к поверхности " плотную " часть , где адсорбционные силы существенны , и более удаленную " диффузную " часть , где ими можно пренебречь а б Рис. 7.1. Модель строения ДЭС: а – модель Гельмгольца; б – модель Гуи и Чэпмена Для описания явлений , обусловленных существованием ДЭС , рассмотрим более детально его строение В соответствии с простейшей моделью Гельмгольца двойной электрический слой является как бы плоским конденсатором ( рис .7.1 а ), одна обкладка которого образована ионами , закрепленными на самой твердой поверхности ( потенциалопределяющими ионами ), другая , несущая противоположный заряд , находится в жидкой фазе на некотором расстоянии () от первой Такое разделение зарядов приво K дит к возникновению разности потенциалов () между контакти K рующими фазами и – в данной модели – к линейному падению потен K циала между обкладками конденсатора Приведенная схема не объясняет ряда особенностей электрокине K тических явлений Согласно данной модели поверхность скольжения 0 x 0 x ( условная граница смешения жидкой и твердой фаз относительно друг друга ) проходит между обкладками " конденсатора ", и обнаруживаемый при электроосмосе или электрофорезе электрокинетический потен K циал () должен был бы соответствовать термодинамическому Однако опыты показали , что электрокинетический потенциал не только , как правило , меньше термодинамического , но и изменяется под влиянием различных факторов иначе Значительным шагом вперед явилась теория ДЭС , предложенная независимо друг от друга Гуи (1910 г .) и Чэпменом (1913 г .). Согласно этой теории противоионы не сосредоточены только у межфазной по K верхности , образуя монослой , а рассеяны в жидкой фазе ( рис .7.2 б ). При этом электростатическое ( кулоновское ) притяжение к поверх K ности уравновешивается тепловым движением ионов ( диффузией ). Устанавливающееся равновесное распределение образует вблизи поверхности твердой фазы " облако " электрических зарядов с убыва K ющей плотностью , аналогичное распределению плотности газов в атмосфере Для анализа коллоидно K химических явлений особенно важно поведение функции ( х ). В случае слабозаряженной поверхности ( х ) 0 е –ж , то есть потенциал в диффузном слое пропорционален потенциалу поверхности и экспоненциально падает с увеличением расстояния от поверхности Величину 1/æ = = 0 2 2 0 2 KT z e n называют толщиной ионной атмо K сферы Величина æ, обратная толщине ионной атмосферы харак K теризует снижение потенциала по мере удаления от поверхности Чем выше концентрация электролита в системе и больше значение æ, тем более резко падает потенциал при удалении от поверхности раздела фаз ( рис . 7.2). Рис. 7.2. Строение ДЭС 0 x С 1 С 2 С 3 С 1 < C 2 < C 3 1/æ 3 = 3 1/æ 2 = 2 1/æ 1 = 1 Электрокинетический потенциал. Изменение свойств дисперсион K ной среды вблизи поверхности твердого тела имеет существенное зна K чение при анализе электрокинетических явлений Так , образование вблизи поверхности закрепленного или малоподвижного слоя диспер K сионной среды ( толщиной ) эквивалентно тому , что в движение ( под действием электрического поля , например ) относительно поверхности вовлекается не весь двойной слой , а только некоторая его часть Таким образом , электрокинетический потенциал может рассматриваться как потенциал некоторой плоскости , называемой границей скольжения , лежащей в пределах диффузной части двойного слоя Граница сколь K жения отделяет неподвижную , связанную с твердой поверхностью часть жидкой фазы от остальной части , в которой реализуется смещение Рассмотрение влияния различных факторов на K потенциал начнем с чрезвычайно важного в практическом отношении случая – введения в систему электролитов 1. Индифферентные электролиты не изменяют 0 K потенциал , но влияют на K потенциал Такие электролиты не содержат ионов , входя K щих в состав решетки твердой фазы или изоморфных ей В зависи K мости от соотношения величины зарядов противоионов исходного двойного слоя и соответствующих им по знаку ионов вводимого электролита можно выделить : а ) электролиты , содержащие те же ионы , что и противоионы исходного двойного слоя Добавление таких электролитов приводит к изменению толщины ионной атмосферы ( увеличению ж). Это сжатие двойного электрического слоя проявляется тем сильнее , чем выше концентрация введенного электролита Сжатие двойного слоя при K водит к уменьшению K потенциала и тем самым к ослаблению электро K кинетических эффектов При этом между вводимым электролитом и исходным двойным слоем обмена ионами не происходит ; б ) электролиты , содержащие ионы , отличные от противоионов двойного слоя Заряд противоионов и вводимых ионов одинаков Введение подобных электролитов наряду со сжатием двойного слоя и уменьшением K потенциала сопровождается ионным обменом : вытес K нением противоионов , первоначально находившихся в двойном слое , и вхождением в него новых противоионов из добавленного электролита ; в ) электролиты , содержащие ионы , величина заряда которых отли K чается от заряда противоионов исходного двойного электрического слоя Диффузная часть двойного электрического слоя в этом случае преимущественно образуется ионами с более высоким зарядом , и концентрации ионов с зарядами z 1 и z 2 в двойном слое связаны с их концентрациями в объеме соотношением 1/ 1/ 1 1 1 10 1/ 1/ 2 2 2 20 z z z z n n = , n n где n 1 , n 2 – концентрации ионов в двойном слое ; n 10 , n 20 – концентрации ионов в объеме дисперсионной фазы ; z 1 , z 2 – заряды ионов Это выражение является частным случаем уравнения ионного обмена Если вводимый электролит имеет более высокий заряд про K тивоионов , то происходит интенсивное вытеснение им исходных про K тивоионов и сжатие двойного слоя резко усиливается 2. Электролиты , содержащие специфически адсорбирующиеся ионы а ) При одинаковом заряде противоионов введенного электролита и исходного двойного слоя их способность входить в адсорбционную часть двойного электрического слоя определяется величинами их адсорбционных потенциалов : чем выше адсорбционный потенциал вводимого противоиона , тем более резко он понижает K потенциал и интенсивность проявления электрохимических эффектов Соответ K ственно одинаково заряженные ионы могут быть расположены в ряды по степени их влияния на электрокинетические явления и их способ K ности к взаимному вытеснению из двойного электрического слоя , а также по их коагулирующей способности Такие ряды ионов с убыва K ющей адсорбционной способностью носят название лиотропных рядов : Cs + > Rb + > K + > Na + > Li + , то есть адсорбционная способность противоионов возрастает с их радиусом Аналогичная зависимость наблюдается – для двухвалентных катионов : Ba 2+ > Sr 2+ > Ca 2+ > Mg 2+ , – одновалентных анионов : CNS – > J – > 3 NO > Br – > Cl – Более высокая адсорбционная способность крупных ионов связана с их большей поляризуемостью и меньшей гидратацией , что позволяет им ближе подходить к поверхности твердого тела Отношение концентраций в двойном слое ионов одинакового заряда , но имеющих различные значения адсорбционных потенциалов 1 и 2 , связано с отношением их объемных концентраций выражением 1 10 1 2 2 20 exp n n , n n KT которое также является частным случаем уравнения Никольского Важная особенность влияния на строение двойного электрического слоя сильноадсорбирующихся ионов заключается в том , что в этом случае может наблюдаться не только падение , но и рост K потенциала Это происходит , если высокий адсорбционный потенциал присущ коиону вводимого электролита С другой стороны , сильноадсорбиру K ющиеся противоионы способны вызвать " перезарядку " поверхности После того как с повышением концентрации добавляемого электролита заряд адсорбционной части слоя противоионов станет равен заряду поверхности , адсорбционные взаимодействия могут привести к дополнительной , сверхэквивалентной адсорбции противоионов , так что K потенциал изменяет свой знак Например , при изучении электро K фореза установлено , что по мере увеличения концентрации электро K лита происходит падение K потенциала , и при некотором значении концентрации , называемом изоэлектрической точкой , электрокине K тический потенциал становится равным нулю Дальнейшее увеличение концентрации приводит к изменению знака электрокинетических эффектов ( например , эффекта , обнаруживаемого по изменению на K правления движения частиц дисперсной фазы ). Подчеркнем , что в дан K ном случае это связано с изменением знака K потенциала б ) Электролиты , содержащие специфически адсорбирующиеся про K тивоионы с зарядом , отличным от заряда противоионов исходного двойного электрического слоя Этот , наиболее общий случай ионного обмена описывается уравнением Никольского В этом случае также возможна " перезарядка " поверхности ( свя K занная с изменением знака потенциала адсорбционного слоя d при постоянном значении термодинамического потенциала поверхности 0 ; в ) Неиндифферентные электролиты , то есть электролиты , способ K ные изменять величину термодинамического потенциала поверхности ( 0 K потенциала ). Такие электролиты содержат ионы , способные входить в состав решетки твердого тела Устойчивость коллоидных систем Современная теория устойчивости , развитая Дерягиным совместно с Ландау , получила всеобщее признание Несколько позже теоретическая разработка , приводящая к тем же результатам , была осуществлена Фервеем и Овербеком Поэтому современная теория устойчивости носит имя указанных ученых и известна в литературе как теория ДЛФО Теория рассматривает процесс коагуляции как результат совмест K ного действия вандерваальсовых сил притяжения (U пр ) и электро K статических сил отталкивания (U от ) между частицами Полная энергия двух взаимодействующих частиц определяется формулой U = U пр + U от Результатирующий знак для U заранее из вида уравнения предсказать нельзя , поскольку U от имеет экспоненциальный характер , а U пр – степенной На малых расстояниях между частицами ( при h → 0) U от → const, а U пр ∞ → ( рис .7.3) ( без учета сил отталкивания электронных оболочек ). Следовательно , на малых расстояниях преобладает притяжение На больших расстояниях также преобладает притяжение , поскольку степенная функция убывает значительно мед K леннее , чем экспонента На средних расстояниях может преобладать отталкивание ( в разбавленных растворах ). В этом случае на кривой U(h) появляются потенциальный барьер и два минимума Рис. 7.3. Энергия взаимодействия двух частиц Возможность сближения частиц в элементарном акте определяется высотой барьера и глубиной ям Рассмотрим следующие типичные случаи 1. Если высота барьера , а также глубина второго минимума невели K ки ( kT), частицы сближаются в броуновском движении до наимень K шего возможного расстояния ( порядка долей нм ). Такие системы не K устойчивы и коагуляция идет в большинстве случаев необратимо , по K скольку глубина первого минимума обычно много больше kT. Снижение высоты барьера может быть вызвано , например , увеличением С и æ. 2. Если высота барьера велика (>> kT), а глубина второго минимума мала ( kT), частицы не могут преодолеть барьера и расхо K дятся без агрегирования Это случай агрегативно K устойчивой системы 3. Если глубина второго минимума достаточно велика (>> kT), то независимо от высоты барьера происходит так называемое дальнее взаимодействие двух частиц , фиксируемых на расстоянии , отвечающем второму минимуму При этом устанавливается своеобразная гибкая связь – две частицы не могут ни разойтись , ни приблизиться вплотную и продолжают существовать в виде " пары ", совершающей совместное броуновское движение К этой паре могут присоединяться другие частицы с образованием тройников и более сложных структур Частицы , связанные на столь больших расстояниях , приобретают фазо K вую устойчивость , и система в целом сохраняет свою дисперсность Большой интерес для теории и практики представляет разработка теории гетерокоагуляции Одним из типичных случаев гетерокоагу K ляции является так называемая взаимная коагуляция разноименно заряженных частиц Этот процесс широко используют для практи K ческого разрушения дисперсных систем , особенно важного в связи с проблемой очистки природных и промышленных вод Определение оптимальных условий очистки воды коагуляцией. Процессы коагуляции применяют в водоподготовке и при очистке сточных вод различных предприятий как для интенсификации механической очистки , так и для удаления коллоидных примесей и обесцвечивания вод , содержащих высокомолекулярные окрашенные примеси Коагуляционная очистка , которая признана эффективной при очистке сточных вод целлюлозно K бумажных комбинатов ( ЦБК ), в настоящее время применяется в России только на Байкальском и Селенгинском ЦБК В качестве коагулянтов на практике в основном используют соли алюминия (Al 2 (SO 4 ) 3 , AlCl 3 , NaAlO 2 и др .) и железа (FeCl 3 , FeSO 4 и др .). Несмотря на развитие современных теорий коагуляции , единого теоретического подхода к выбору оптимальных условий проведения коагуляционной очистки не существует Это объясняется поликомпо K нентностью состава природных и сточных вод , а также его разно K образием В связи с этим очень часто для ориентировочного определения до K зы коагулянта на практике пользуются эмпирическими формулами В отечественной практике дозу сульфата алюминия определяют по формулам : Д к =4 Ц ; Д к =4 М , где Д к – доза безводного сульфата алюминия , мг / л ; Ц – цветность воды в градусах платиново K кобальтовой шкалы ; М – содержание взвешенных веществ в исходной воде ( мутность ), мг / л Однако расчет дозы коагулянта по этим формулам часто не дает достоверных результатов Поэтому определение дозы коагулянта в каждом отдельном случае проводят экспериментально , то есть пробным коагулированием сточной воды В настоящее время в России и станах СНГ общепринятым является метод пробного коагулирования Согласно этому методу , сначала опре K деляют оптимальную дозу коагулянта для данной воды без регули K рования рН , а затем находят оптимальную дозу извести при данной дозе коагулянта В зарубежной практике широко используется метод "Jar test". Отличие последнего от оптимального метода состоит в том , что после нахождения оптимальной дозы коагулянта проводят определение оптимальной области рН ( рН опт ) при найденной оптимальной дозе коагулянта Существенным недостатком обоих методов является принятие положения о независимости рН опт от дозы коагулянта , что является не обоснованным , а часто ошибочным В работе * исследования агрегативной устойчивости сульфатного лигнина ( СЛ ) в присутствии AlCl 3 и Al 2 (SO 4 ) 3 , проведенного методом спектрофотометрии и предложен модифицированный метод пробного коагулирования На рис . 7.4 представлены результаты исследования эффективности коагуляционного выделения СЛ из его водного раствора ( рН 11,7) в присутствии AlCl 3 и Al 2 (SO 4 ) 3 * А.В. Лоренцсон, Ю.М.Чернобережский, А.Б.Дягилева // Коллоидный журнал. 2002. Т. 64. №1. С.94K96. Из рис . 7.4 видно , что при использовании AlCl 3 во всем исследуемом диапазоне доз коагулянта эффективность очистки равна нулю При применении Al 2 (SO 4 ) 3 оптимальная доза коагулянта со K ставляет 90 мг / л Согласно существующим методикам далее необ K ходимо провести определение рН оптим при этой дозе коагулянта Исследование зависимости эффективности коагуляционной очист K ки от рН для каждой из применяемых доз коагулянта свидетельствует о том , что эта доза значительно завышена , так как при дозе Al 2 (SO 4 ) 3 20 мг / л эффективность очистки достигает 80 % ( при рН =4,5), а при 40 мг / л – 85 % ( при рН =6). При использовании хлорида алюминия ( при тех же дозах коагулянта и значениях рН ) эффективность очистки еще выше Рис. 7.4. Зависимость эффективности очистки сточной воды (раствор СЛ в 0,01 н NaOH) от дозы коагулянта (мг/л): 1 – Al 2 (SO 3 ) 3 ; 2 – AlCl 3 Таким образом , оптимальная область рН не является одинаковой для всех доз коагулянта Изменение рН оптим с увеличением дозы коагулянта может быть обусловлено сменой основных механизмов коагуляции , вызванных гидролизом сульфата алюминия с образованием сложных ионов , заряд которых зависит от значения рН среды Схематически Ф Винклер Эффективность очистки , % 100 80 60 40 20 Д к , мг / л 20 40 60 80 100 1 2 располагает продукты гидролиза Al 2 (SO 4 ) 3 в порядке возрастания рН по следующей схеме : Из всех продуктов гидролиза особенно важными являются коор K динационные соединения с шестью и восемью атомами , которые с нейтральными частицами [Al(H 2 O) 3 (OH) 3 ] 0 образуют сетчатую поло K жительно заряженную структуру , способствующую процессу коагу K ляции отрицательно заряженных частиц СЛ или других примесей , содержащихся в природной воде Модифицированный метод пробного коагулирования требует опре K деления : исходных характеристик воды ( рН , цветность , мутность и др .); ориентировочной дозы коагулянта с использованием эмпири K ческих формул ; зависимости эффективности очистки воды от рН для ряда доз коагулянта , включающего ориентировочную дозу ; оптимальной дозы коагулянта и условий проведения процесса очистки воды из данных в соответствии с требованиями , предъявляемы K ми к очищенной воде ( рН , концентрация остаточного алюминия и др .). Указанный подход позволяет снизить суммарные затраты пред K приятий , необходимые для очистки воды коагуляцией Al 2 (SO 4 ) 3 [Al(H 2 O) 6 ] 3+ [Al(H 2 O) 5 (OH)] 2+ [Al(H 2 O) 4 (OH) 2 ] + [Al 6 (OH) 15 ] 3+ [Al 8 (OH) 20 ] 4+ [Al(H 2 O) 3 (OH) 3 ] 0 [Al 2 (OH) 7 ] K ; [Al(OH) 4 ] K pH=7 pH<4 р H от 4 до 5 рН 5,5 Флокулянты Процесс коагуляции можно ускорить добавлением к воде веществ , называемых флокулянтами Метод флокуляции основан на использо K вании высокомолекулярных веществ для ускорения процесса хлопье K образования и увеличения скорости осаждения хлопьев Часто фло K кулянты применяют в сочетании с минеральными коагулянтами Впер K вые для очистки природных и сточных вод их начали применять в 30K е годы прошлого столетия Флокуляция основана на адсорбции макромолекул на поверхности сразу нескольких твердых частиц ( с образованием " мостиков " между частицами ). Механизм взаимодействия флокулянта с коллоидной частицей складывается из двух фаз ( по Г Зонтхамеру ). Сначала полимер адсорбируется на коллоидной частице При этом фиксируется только один конец флокулянта , а другой остается в растворе Затем две частицы с адсорбированными молекулами флокулянта объединяются вместе Полимер становится мостиком между двумя частицами Такое взаимодействие частиц протекает быстро по всему объему Частицы различного происхождения имеют различное распреде K ление зарядов , гидрофильных и гидрофобных областей на поверхно K сти Вследствие этого не представляется возможным применение не K коего универсального полимерного флокулянта Для решения задач по очистке воды ( особенно сточных вод ) необходим выбор флокулянтов Большинство флокулянтов представляют собой линейные полиме K ры с длиной цепочки до 1 мк и молекулярной массой 10 6 и более Все их можно разделить на : 1) неионогенные , содержащие функциональные группы – ОН ; С = О ( крахмал , ПВС , полиакрилонитрил ); 2) ани K онные , содержащие диссоциированные группы – СООН , –SO 3 H, –OSO 3 H ( кремниевая кислота , полиакрилат натрия , лигносульфонаты и т д .); 3) катионные , содержащие протонированные группы –NH 2 , =NH ( полиэтиленамин , сополимеры винилпиридина и др .); 4) амфо K терные , содержащие одновременно анионные и катионные группы ( белки , гидролизованный полиакриламид и др .). Характеристика некоторых полимерных флокулянтов приведена в табл . 7.1. Т а б л и ц а 7 . 1 Химическое строение и молекулярная масса полимерных флокулянтов Название Химическая формула Молекуляр K ная масса 1 2 3 Полиакриламид ( ПАА ) 10 6 –10 7 Поливиниловый спирт ( ПВС ) 10 6 –10 7 Сополимеры акри K ламида и акри K ловой кислоты ( АА – АК ) 2 2 x СН СН С О NH 2 y СН СН О H ( х = 20K90%) 10 5 –10 6 Поли KN,NK диметил K N,NK диамиламмо K ний хлорид ( ПДМДА ) 510 4 –210 5 Поли KNK винил K капролактам ( ПВК ) 510 3 –1,510 6 – СН 2 – СН – ОН – СН 2 – СН – СН – СН 2 – СН 2 СН 2 СН 3 – N + Cl – СН 3 NH 2 – – СН 2 – СН – С = О – СН 2 – СН – N СН 2 СН 2 СН 2 С = О СН 2 СН 2 Полиакриламид ( ПАА ) применяют в виде добавки к воде , обра K ботанной минеральным коагулянтом , причем при очистке мутных вод , содержащих грубодисперсные вещества , его применяют без минераль K ного коагулянта или вводят перед коагулянтом Силы взаимодействия ПАА с глинистыми частицами и гидроксидами металлов обусловлены не только вандерваальсовым притяжением , но и образованием водо K родных связей между амидными группами полимера (–NH 2 ) и кисло K родом алюмосиликатов (Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O). Этим объясняется проч K ность образующихся хлопьев Эффективные дозы ПАА зависят от способа его применения , качества обрабатываемой воды , типов и параметров очистных соору K жений При введении ПАА перед сооружениями первой ступени ( отстойники , осветлители ) дозы его устанавливают пробным флокули K рованием – по эффекту осветления воды ПАА не изменяет вкусовых свойств воды и рН Использование ПАА приводит : а ) к ускорению хлопьеобразования и осаждению взвешенных частиц ; б ) к понижению остаточной концентрации коагулянта в очищаемой воде Технический полиакриламид представляет собой прозрачный , вязкий , желто K зеленый гель , содержащий от 4 до 9 % активного продукта – полимера В нем содержатся в качестве примесей гипс или сульфат аммония и некоторое количество мономера Водные растворы ПАА не проявляют заметной коррозионной активности и могут сохраняться в течение 20 дней |