Реферат: Физико-химические основы коагулирования примесей воды

На наличие гидрофильных свойств у коллоидов природных вод указывают три фактора: малая чувствительность к содержанию электролитов; способность удерживать значительное количество воды их скоагулированными осадками; для некоторых из них, в особенности для продуктов разложения белковых веществ и гуминов, характерно проявление защитного действия по отношению к глинистым и почвенным суспензиям, коллоидной кремниевой кислоте, а также к золям гидроксидов алюминия и железа (III), образующихся при внесении в воду коагулянтов.

Защита гидрофобных коллоидов, с точки зрения технологии очистки воды, явление нежелательное, поскольку она вызывает образование стойких связей и замедляет осаждение коагулянта.

Коллоидные частички гидрофильных органических коллоидов представляют собой агрегаты молекул, свернутых в рыхлый клубок, промежутки в котором заполнены водой. Полярными группами в них (например, в гуминовых веществах) являются фенольные и карбоксильные. Устойчивость гидрофильных коллоидов объясняется развитой гидратной оболочкой. Например, у полярных групп ОН-, С032_, НС03-, образующих коллоидные гидрофильные частички, молекулы воды, представляющие собой диполи, ориентируются и притягиваются в результате электростатического взаимодействия. По мере удаления от поверхности полярных молекул ориентация молекул воды ослабевает. Устойчивость гидрофильных систем снижается при химической обработке, в результате которой полярные группы НСО3- окисляются до карбонильных — гидрофобных (количество полярных групп в молекуле уменьшается). Для этой цели применяют предварительное хлорирование воды перед введением коагулянта.

Используемые в технологии очистки воды коагулянты чаще всего являются солями слабых оснований а сильных кислот (A12(S04)3, FeS04, FeCl3 и др.). При растворении они гидролизуют. Взаимодействуя с гидроксильными ионами, содержащимися в воде, в результате электролитической диссоциации последней эти соли образуют малорастворимые основания. В воде накапливаются ионы водорода, и раствор приобретает кислую реакцию.

Полнота гидролиза имеет большое значение как для самой коагуляции, так и для качества очищаемой воды, поскольку наличие ионов алюминия в очищенной питьевой воде недопустимо.

Скорость гидролиза можно описать уравнением:

где v— скорость гидролиза; Кг — константа гидролиза; [Мел+] — концентрация катионов в растворе коагулянта; [Н20] — концентрация воды в растворе.

Из уравнения следует, что скорость гидролиза пропорциональна концентрации катионов коагулянта. Поскольку применяющиеся концентрации растворов коагулянта незначительны, можно считать, что скорость гидролиза коагулянта прямо пропорциональна его концентрации (или его дозе), введенной в воду. Согласно правилу Вант—Гоффа с повышением температуры на каждые 10 градусов скорость гидролиза, как и большинства химических реакций, возрастает примерно в 2—4 раза.

Необходимым условием для более полного протекания гидролиза является удаление из сферы реакции образующихся Fe(OH)3 или А1(ОН)3, а также связывание ионов Н+ в малодиссоциированные молекулы. Гидролиз усиливается с разбавлением коагулянта.

Более полному гидролизу подвержены коагулянты, образующие гидроксиды с меньшей константой диссоциации (величиной, характеризующей способность электролитов диссоциировать на ионы) или меньшим произведением растворимости.

Гидролиз солей железа (III) протекает полнее, чем солей алюминия, и значительно полнее, чем солей железа (II).

Как следует из уравнения, с увеличением степени гидролиза рН раствора должно уменьшаться. Любое повышение рН раствора обеспечивает полный гидролиз введенного в воду коагулянта. Для быстрого и полного гидролиза коагулянтов необходим некоторый щелочной резерв воды, т. е. наличие в ней определенного количества ионов НС03-, ОН-, которые связывают ионы водорода, выделяющиеся при гидролизе:

Благодаря наличию в воде буферной системы НС03-—Н2СО3 с рН, близким к 7, рН воды при гидролизе коагулянтов в большинстве случаев изменяется незначительно (уменьшается).

По уравнению гидролиза коагулянтов можно вычислить концентрацию ионов НС03-, необходимую для нейтрализации кислоты, образующейся при гидролизе определенной дозы коагулянта. Из суммарной реакции гидролиза Al2(S04)3 в присутствии ионов НС03-

Al2 (S04)3 + ЗСа (НС03)2 + 6Н20 = 2А1 (0Н)3 + 3CaS04 + 6Н2СО

следует, что на каждые 342 м г A12(S04)3 расходуется 6 мг-экв НСОз-.

В тех случаях, когда концентрация ионов ОН-, НС03~, содержащихся в воде, недостаточна для полного гидролиза коагулянта, щелочность воды повышают введением известкового молока или раствора соды. В первом случае эффект подщелачивания объясняется связыванием ионов Н+ ионами ОН- извести, во втором — связыванием ионов Н+ в ионы НС03-.

Зная щелочность обрабатываемой воды и дозу введенного коагулянта, можно вычислить дозу извести или соды, необходимой для гидролиза и обеспечения резервной остаточной щелочности, равной 1 мг-экв/л.

Гидролиз солей алюминия, используемых в качестве коагулянтов, протекает в несколько стадий:

Степень гидролиза повышается с разбавлением раствора, повышением его температуры и рН.

Гидроксид алюминия является типичным амфотерным соединением, т. е. обладает как кислотными, так и основными свойствами:

Константа равновесия для первого уравнения

(А1(ОН)3 содержится в твердой фазе и концентрация его в растворе постоянна), откуда [Al3+]=k'[H+]3.

Для второго уравнения константа равновесия: