Фізико-хімічнї основи процесу коагуляції

Якщо очищення води від грубо дисперсних домішок (ГДД) можлива звичайним відстоюванням, час визначається розміром і граничною масою частинок, то колоїдні домішки у цих колегіях агрегативної стійкості, їх можна виділити із води лише методом коагуляції. Коагуляція - фізико-хімічний процес укрупнення колоїдних частинок у цих колегіях, або злипання під впливом молекулярних сил тяжіння. У практиці водопідготовки під коагуляцією розуміють очищення води від колоїдних речовин з одночасною очисткою від ГДД і знебарвленням води шляхом дозування в оброблювану воду спеціального реагенту - коагулянта. Для колоїдних систем характерні дві основні ознаки: гетерогенність і дисперсність. Перша з ознак свідчить про наявність міжфазної поверхні (поверхневого шару), визначає найістотніші і характерні властивості колоїдних систем. Друга ознака - дисперсність (роздробленість) - або визначається за трьома вимірам тіла, або характеризується величиною, зворотною мінімального розміру і названою дисперсністю, або, нарешті, використовується третя характеристика роздробленості - питома площа поверхні Sуд (відношення міжфазної поверхні до об’єму тіла таблиця 4.2).

Таблиця 4.2 – Вимірювання граничної площі поверхні частинок при подрібненні [4]

Зважаючи на ці ознаки, колоїдні системи можна охарактеризувати й певним виглядом енергії, які вони мають. Гетерогенність визначає наявність поверхового натягу Sг, причому, чим сильніше різняться фази за своєю природою, тим вищий поверховий натяг. Колоїдні системи, які мають великий надлишком поверхневої енергії, прагнуть зменшити її за рахунок зниження поверхового натягу, завдяки поверхневої адсорбції інших речовин, що формує структуру поверхневого шару і наділяє властивостями, відмінними від властивостей основних фаз. Виборча адсорбція призводить до придбання фазами, що дотикаються зарядів протилежного знака, але різної величини, оскільки виникає подвійний електричний шар, що обумовлює різні електрокінетичні явища.

Основи теорії подвійного електричного шару. Можливі три механізма освіти подвійного електричного шару (ПЕШ): по-перше, за допомогою переходу іонів чи електронів з однієї фази до іншої (поверхнева іонізація), по-друге, завдяки адсорбції сполук - домішок водних середовищ і по-третє, за допомогою певного орієнтування молекул пов'язаних фаз внаслідок їх взаємодії. Для водних колоїдних систем характерні всі три можливих вида ПЕШ, причому роль кожного їх значною мірою пов'язана з значенням рН середовища і хімічними властивостями колоїдних сполук. Оскільки явища на міжфазних поверхнях колоїдних систем обумовлені наявністю ПЕШ, то цей зв'язок між колоїдними частинками залежить від його будови, тому є важливим оцінити будова ПЕШ. Подвійний електричний шар вперше був розглянутий Гельмгольцем у вигляді плоского конденсатора з відстанню між двома рядами різноименно заряджених іонів, близькими до розміру діаметра молекул. На цій ділянці потенціал лінійно знижувався. Але така будова шару не враховує теплового руху іонів. Гуї і Чепмен припустили, що ПЕШ має розмиту (дифузійну) будову, а концентрація противоіонів (іонів у розчині, зі знаком заряду, протилежним заряду адсорбованих іонів і званих потенціалутворюючими) у спектрі дії поверхового потенціалу розподіляється виходячи з теплового руху відповідно до закону Больцмана. Сучасна теорія будови ПЕШ, логічно розвиває уявлення Гельмгольца, Штерна, Гуї і Чепмена, розглядає шар у вигляді двох частин (рис. 4.2). Одна його частина знаходиться безпосередньо у міжфазній поверхні і утворює адсорбційний шар (шар Гельмгольца) завтовшки δ, відповідний діаметру гидратованих іонів, що у ньому.

Рисунок 4.3 - Подвійний електричний шар й зміна у ньому потенціалу

Решта противоіонів перебуває у дифузійній частині завтовшки λ, яка залежить від властивостей і складу розчину та колоїдної системи. Значення потенціалу в шарі Гельмгольца під час видалення від потенціалутворюючих іонів знижується лінійно від фо до потенціалу дифузійного шару, змінюється за експонентою. Товщина дифузійного шару φо відповідає, як було зазначено умовно прийнято, відстані, у якому потенціал дифузійного шару знижується, так як в 2,718 рази. Концентрація іонів в дифузному шарі з відривом x від границі розділу фаз пропорційна розподілу Больцмана [4]:

де С - концентрація іона; і, z- валентності іонів обсягом розчину поза дифузійного шару; W_X=zFфX характеризує роботу переміщення 1 моля іонів з об’єму розчину на відстань X до границі розділу фаз; F - число Фарадея; (x - потенціал з відривом x, змінюється від x до при x= і x =0 при до= [4].

При розведенні колоїдного розчину відбувається зниження концентрації електроліту, що зумовлює втрату іонів з дифузійного шару міцели і зниженню -потенціалу. При випарюванні розчину концентрація частинок підвищується, і це сприяє їхньому злипанню. В обох випадках результат один – коагуляція.

Коагуляція гідрофобних колоїдних розчинів настає як під впливом електролітів, так і за змішування двох золей з протилежними знаками зарядів частинок. Це явище взаємної коагуляції викликається нейтралізацією зарядів іонів дифузних шарів частинок. Коагуляція починається при певній концентрації електроліту в розчині, що називається порогом коагуляції. Поріг коагуляції – мінімум (моль/дм³) електроліту, який викликає появу каламуті і пластівців. Чим більший заряд іона, тим сильніша його коагулююча дія, тим нижчий поріг коагуляції і тим менше потрібно електроліту для коагуляції. Поріг коагуляції залежить від природи дисперсної фази, концентрації її у колоїдної системі, швидкості поповнення електроліту, інтенсивності перемішування, присутності інших речовин і т.д. По коагулюючій здатності іони розташовують у наступний ряд:

Na+ < NH4+ < K+, Mg2+ < Ca2+ < Ba2+ < Al3+.

Чим менш гідратований іон, тим більш виражена його коагулююча здатність. На коагулюючу здатність катіону впливає природа зв’язаного з ним аніона. Так, поріг коагуляції позитивно зарядженого гідроксиду алюмінію становить для хлориду калію 0,05 моль/л, а сульфату калію – 0,003 моль/л. При гідролізі сульфату алюмінію особливе значення має тут гідроксид алюмінію [Al(H₂O)₃(OH)₃], що утворюється при рН=5,5. Гидроксид алюмінію створює з іонами [Al₆(OH)₁₅]³⁺, [Al₈(OH)₂₀]⁴⁺ і [Al₂(OH)₇]– сітчасту структуру, завдяки якій при коагуляції відбувається захоплення колоїдних домішок і очищення води [4].

Рисунок 4.4 – Захоплення колоїдних домішок

Після коагуляції починається осадження крупних частинок під впливом сили тяжкості – седиментація (рисунок 4.4). У рідкому середовищі при коагуляції золей укрупнення частинок до певної межі не супроводжується їх осіданням. Подальше зростання частинок призводить до утворення згустків чи пластівців (флокул), що випадають в осад.