Гідроліз солей коагулянтів, умови коагуляції домішок води

Іон Al³⁺ у воді координує зі 6 атомами води. У процесі гідролізу гідратований іон Al³⁺ віддає протон в координаційні молекули води і утворює послідовно комплексні іони, що містять воду та гідроксильну групу. Утворюється комплекс, Al(H₂O)₃ і Al(OH)₃ втрачають воду, утворюється погано розчинний Al(OH)₃.По цій схемі гідролізують і іони феруму, за виключенням того, що на відміну від солей алюмінію, крім Al(OH)₃ можуть утворюватися важкорозчинні гідроксосолі.

Утворені в процесі гідролізу золі коагулюють з утворенням агрегатів, утворюються крупні пластівці, які осаджуються, вода при цьому очищується.

Коагулянти — солі, що гідролізують.

Флокулянти — неорганічні та органічні високомолекулярні з`єднання, використання яких призводить до утворення агрегатів.

Константа гідролізу (К_г) прямо пропорційна іонному добутку води (К_в)та обернено пропорційна константі дисоціації (К_дис) гідроксиду металу.

При підвищенні температури, іонний добуток води та константа гідролізу теж зростають.

В результаті гідролізу в розчині накопичуються гідратовані іони.

З підвищенням температури та дози коагулянту концентрація іонів Н⁺ та Н₃О⁺ підвищується. Якщо іони гідроксонію не зв`язуються в недисоційований стан, то гідроліз припиняється вже за одну ступінь — необхідно підтримувати у воді необхідну кількість лужності, щоб зв`язати іони Н₃О⁺.

У природних водах містяться гідрокарбонати та розчинна вугільна кислота — буферна система, що підтримує постійне значення рН, близьке до нейтрального. Це обумовлюється тим, що утворені іони зв`язуються в молекули недисоційованої вугільної кислоти та гідроліз іонів алюмінію чи феруму в присутності карбонатних іонів.

Значення рН води, яка очищається, буде зберігатися постійною до ти пірЮ, поки не буде вичерпана буферна ємність води. У випадку недостачі буферної ємності, необхідно проводити підлуговування води за допомогою CaCO₃, Na₂CO₃.

1 мг-екв лужності забезпечує повний гідроліз 57 мг Al₂(SO₄)₃ 54 мг AlCl₃ та 68 мг Fe₂(SO₄)₃. В розбавленому розчині при рН <3 іони алюмінію існують у виді аквакомплексу — . Молекули води першої координаційної сфери пов`язані водневими зв`язками з дваома молекулами другої сфери. По цій схемі утворюються мономірні аквагідроксокомплекси, які утворюють спочатку — димери та тримери. Далі останні поліконденсують та утворюють шестиядерні аквагідроксокомплекси — . Далі відбувається взаємодія шестиядерних аквагідроксокомплексів, що призводить до утворення тришарового аквагідроксокомплексу — — це первинна міцела, яка разом з гідратною оболонкою має розмір 0,0018 ̶ 0,0024 мкм. Ця міцела складається з 6 молекул Al(OH)₃ (внутрішній шар). Зверху та знизу внутрішнього шару розташовані 2 шестиядерні аквагідроксокомплекси. Коли формування міцел закінчено, то міцелу представляють таким чином:

Коагуляція міцел відбувається шляхом взаємодії верхніх та нижніх шарів або по бічним граням, шляхом утворення водневого зв`язку між шарами.

Як відбувається очищення води при такій коагуляції: в природній воді містяться домішки та мінеральні речовини, що мають від`ємний заряд. Утворені в процесі гідролізу позитивно заряджені аквагідроксокомплекси хемосорбуються на частинках домішок. При цьому нейтралізується заряд частинок та вони покриваються густим шаром частинок . Зважені частинки відіграють роль центрів конденсації на них продуктів гідролізу. При цьому утворюються густі адсорбційно- коагуляційні структури. Система втрачає агрегативну та седиментаційну стійкість, і відбувається їх осадження. В процесі побудови агрегованих структур в агрегатах утворюються пори, заповненні водою.

Весь процес освітлення води починається з утворення міцел та закінчення побудови агрегатів, їх осадження можна розбити на етапи, які описуються кривою — зміна мутності води при температурі в процесі коагуляції:

I ̶ прихована коагуляція;

II ̶ початок утворення пластівців;

III ̶ початок седиментації;

IV ̶ закінчення седиментації.

На першому етапі відбувається гідроліз коагулянту з утворенням міцел та агрегування в крупні, кулеподібні частинки. З`являється опалесценція. Це прихована коагуляція. Потім відбувається побудова ланцюгових структур і утворення великої кількості малих пластівців, які агрегатують в крупні та під дією сили тяжіння починають осідати (седиментація).

Для досягнення ефективного очищення від колоїдних та суспензійних речовин. Необхідно забезпечити найбільш оптимальні умови для гідролізу і максимальну швидкість утворення міцел та агрегатів.

Значення рН

Катіон	Початок осадження	Повне осадження	Початок розчинення
Al3+	3.5 ̶ 4.5	5.2 ̶ 7.0	7.8
Fe3+	1.5 ̶ 2.3	5.5 ̶ 7.0	8.0
Fe2+	6.5 ̶ 7.9	9.5 ̶ 9.7	13.5

 

Величина рН, яка відповідає мінімальній розчинності продуктів гідролізу, залежить від аніона. Для FeCl₃ величина рН мінімальної розчинності ̶ 7, для Fe₂(SO₄)₃ ̶ 6,2, для FeSO₄ ̶ 9,5. В залежності від випадку мінімальна розчинність продуктів гідролізу відповідає їх ізоелектричному стану — дзета-потенціал = 0.

У багатьох випадках вважається, що надійним критерієм для успішного перебігу коагуляційного очищення є підтримка такого режиму, при якому загальна лужність води зменшена приблизно на 40 %.

Для швидкого осадження пластівців у відстійниках, вони повинні бути розміром 0,3 ̶ 0,7 см і мати велику густину. Густина пластівців залежить від відносного вмісту в їх структурі твердих речовин та описується відношенням:

,

де ̶ відношення вмісту твердої фази в структурі пластівців;

̶ густина рідкої та твердої фази відповідно.

Чим більша густина пластівців (), тим вони повільніше осідають. Рихлі та легкі пластівці утворюються при коагуляційному очищенні кольорових та маломутних вод.

Контактна коагуляція — суттєве скорочення часу утворення пластівців, що дозволяє різко інтенсифікувати процес на стадії утворення кулеподібних агрегатів та ланцюгової структури.

При фільтруванні води через шар зернистого завантаження, ці структури адсорбуються на поверхні зерен. При цьому утворюється активна поверхня, на якій з використанням ефективно адсорбуються домішки води за рахунок фізичної та специфічної адсорбції. Швидкість фільтрування при цьому може досягати 10 ̶ 20 м/год. Час освітлення становить 5 ̶ 10 секунд. Така ж глибина освітлення при звичайній коагуляції потребує від 20 ̶ 40 хв. Тобто, процес прискорюється у 250 ̶ 400 разів. При цьому витрата коагулянтів зменшується до 60 %.

При об`ємних коагуляціях необхідно осаджувати коагулянти та фільтрувати воду, у контактній коагуляції цього робити не потрібно. Ще одна особливість — незалежність процесу від лужності, температури та рН. Особливістю контактної коагуляції є те, що коагулянт потрібно вводити у воду перед завантаженням — період початку прихованої коагуляції. Дози коагулянту в контактній коагуляції допускають не більше 20 мг/дм³.

При русі води відносно зерен з`являється додатковий потенціал. Під дією молекулярних сил адгезії, які проявляються на 1 мкм від поверхні зерен, відбувається прилипання частинок зависі. Інтенсивність прилипання вище взаємного зчеплення однорідних частинок і залежить від площі зерен завантаження. Найкраще затримують піщані фільтри, рН такої води ~ 7. Відбувається поступове накопичення продуктів гідролізу. По мірі накопичення осаду інтенсивність прилипання зерен до завантаження зменшується. Це говорить про агрегацію у вторинному енергетичному мінімумі.

Електрокоагуляція — в основі лежить процес анодного розчеплення металів під дією постійного електричного струму. Іони алюмінію чи феруму, що перейшли у розчин, гідролізуються. При електрокоагуляції відпадає необхідність добавки підлуговуючих реагентів. Під час перебігу процесу відбувається виділення газів: Н₂ ̶ на катоді, О₂ ̶ на аноді. Утворені гази спливають на поверхню, обусовлюючи флотацію. Компактність та простота електрокоагуляції обумовлено використанням при очищення малих об`ємів вод.

Основний елемент електрокоагулятора — набір залізних або алюмінієвих пластин, між зазорами яких протікає вода. Для боротьби з пасивацією металів, для рівномірного зношування пластин електродів проводять зміну їх полярності. Питома витрата електроенергії має бути зменшена за рахунок зниження відстані між електродротами, підвищення електропровідності розчину та швидкості його руху в міжелектронному просторі.

Перевагою електрокоагуляції перед контактною коагуляцією є те, що вона ефективніша при обробці води з великою кількістю органічних речовин, що пояснюється високою активністю комплексоутворення іонів алюмінію та феруму та відсутністю аніонів SO₄^2- Cl^-. При цьому утворюються металоорганічні комплекси. Добре видаляється Сr(VI) та кремнієва кислота.