Коагуляция и флокуляция

Различают два класса дисперсных систем: лиофильные и лиофобные. Лиофильные отличаются интенсивным взаимодействием частиц со средой, самопроизвольным диспергированием и термодинамической устойчивостью системы (глины, мыла, агрегаты ВМС и др.). Лиофобные коллоиды характеризуются значительной энергией связи внутри дисперсной фазы, превышающей энергию взаимодействия последней со средой. В этом случае диспергирование осуществляется за счет затраты внешних сил - химических или механических. При этом образуются термодинамически неустойчивые коллоидные растворы, для которых понятие стабильности имеет лишь кинетический смысл. Некоторые лиофобные системы могут сохранять устойчивость сколь угодно долго (коллоидное золото), другие теряют ее сразу после образования (суспензии грубодисперсных частиц, концентрированные коллоиды сульфидов).

Для лиофобных коллоидов различают кинетическую (седиментационную) и агрегативную устойчивости. Кинетической называют устойчивость дисперсии по отношению к силе тяжести. Под агрегативной устойчивостью понимают способность противостоять слипанию частиц, т.е. способность системы сохранять степень дисперсности.

Между коллоидными частицами действуют силы притяжения и отталкивания. Устойчивость или неустойчивость системы обеспечивается балансом сил притяжения и отталкивания. При преобладании первых происходит агрегация, при преобладании вторых коллоид стабилен во времени. Устойчивость дисперсии зависит от многих факторов, в первую очередь от химической природы поверхности частиц. Чаще всего между дисперсными частицами действуют молекулярные силы Ван-дер-Ваальса (силы притяжения), электростатические (как отталкивания, так и притяжения) и силы взаимодействия адсорбированных макромолекул (обычно это силы отталкивания). Молекулярные силы притяжения и электрические силы отталкивания универсальны: они действуют во всех случаях, даже при преобладании других сил взаимодействия. Структурные силы и силы отталкивания адсорбированных молекул более специфичны: первые действуют только вблизи лиофильных поверхностей, вторые - при наличии достаточно протяженных адсорбционных слоев ВМС. В зависимости от природы сил отталкивания, преобладающих в данной системе, выделяют различные механизмы стабилизации или факторы устойчивости дисперсий - электростатический, обусловленный величиной ζ-потенциала, для гидрофобных коллоидных частиц; молекулярно-сольватационный (структурный) для гидрофильных коллоидных частиц; стерический (энтропийно-энтальпийный).

Закономерности коагуляции коллоидов

Для разделения коллоидной системы действием силы тяжести, необходимо вызвать агломерацию дисперсной фазы с образованием относительно крупных частиц. Этого можно достичь:

Ø -дестабилизацией, достигаемой добавлением химических реагентов, которые снимают действие сил отталкивания снижением ζ-потенциала до критического значения, или путем воздействия на гидрофильные коллоидные частицы,

Ø -агломерацией "нейтрализованных" коллоидов.

Агломерация - результат действия различных сил притяжения между частицами, сталкивающимися в результате броуновского движения до тех пор, пока их размер не достигнет 0,1 мкм, а также результатом внешнего механического воздействия, приводящего к образованию хлопьев требуемого размера.

В практике обработки воды термин "коагуляция" относят к процессам дестабилизации, термин "флокуляция" - к укрупнению (агломерации) нейтральных коллоидов. Соответствующие реагенты известны как коагулянты и флокулянты.

Известна высокая чувствительность коллоидных систем к электролитам. Коагулирующими являются ионы электролита, несущие противоположный частице заряд (противоионы). Чем выше степень окисления иона, тем более эффективно его коагулирующее действие (правило Шульце-Гарди). Коагулирующая концентрация этих ионов резко падает по мере повышения их заряда. Скорость коагуляции зависит от концентрации электролита: при малых его концентрациях эффективность соударений частиц (т.е. отношение числа столкновений, окончившихся слипанием, к общему числу столкновений) близка к нулю. По мере роста концентрации электролита скорость коагуляции увеличивается, но еще не все столкновения эффективны - такую коагуляцию называют медленной. При эффективности соударений = 1 (т.А на графике) наступает быстрая коагуляция - все столкновения заканчиваются образованием агрегатов.

Концентрацию электролита, вызывающую коагуляцию системы, называют порогом коагуляции или коагулирующей (критической) концентрацией.

Скорость образования хлопьев возрастает с ростом температуры и при перемешивании из-за возрастания подвижности частиц и числа столкновений между ними.

Наиболее часто применяют коагулянты на основе солей алюминия или железа. Действие солей металлов состоит в нейтрализации катионом либо катионным комплексом отрицательного заряда коллоидных частиц, присутствующих в воде. Гидролизуясь, коагулянты вызывают нежелательные изменения физико-химических характеристик обрабатываемой воды, рН, удельной электропроводности.

Соли алюминия:

Ø Al₂(SO₄)₃·18Н₂О - сухой или жидкий:

Al₂(SO₄)₃ + 2Н₂О = 2Al(ОН)SO₄ + H₂SO₄

2Al(OH)SO₄ + 2Н₂О = (Al(ОН)₂)₂SО₄ + Н₂SО₄

(Al(ОН)₂)₂SО₄ + 2Н₂О = 2Al(ОН)₃ + Н₂SО₄

Образующиеся частицы сталкиваются между собой и образуют агрегаты сетчатой структуры, которые обладают огромной активной поверхностью, сорбирующей загрязнения и положительным зарядом катиона. В результате образуются выпадающие в осадок хлопья, которые представляют собой комплекс гидроксидов, различных примесей и самой воды, захваченной при образовании хлопьев.

Доза: при очистке природных вод 10-150г/м³ в зависимости от качества исходной воды; при очистке СВ 100-300г/м³ в зависимости от качества обрабатываемой воды и требуемой степени очистки.

Ø -Al₂(ОН)₅Cl - оксохлорид алюминия. Содержание Al в нем в 3 раза больше, чем в сульфате алюминия. При использовании оксохлорида меньше возрастает минерализация воды и в 6 раз меньше увеличивается ее кислотность.

Ø -NaAlO₂

Доза: при очистке природных вод 5-50г/м³.

Соли железа:

Ø -FeCl₂ - жидкий или кристаллический,

Ø -FеSО₄·7Н₂О - железный купорос.

Гидролиз этих соединений аналогичен гидролизу солей Аl. При использовании железного купороса сначала образуется Fе(ОН)₂, который под воздействием растворенного кислорода переходит в Fе(ОН)₃.

Дозы: FеСl₂ - при очистке природных вод 5-1450г/м³, при очистке бытовых СВ 100-500г/м³,

FеSО₄ - для очистки природных вод 10-100г/м³, при очистке СВ 200-400г/м³.

Гидролиз коагулянта проходит тем полнее, чем меньше ПР образующихся гидроксидов:

ПР(Аl(ОН)₃) = 1,9·10^-33;

ПР(Fе(ОН)₂) = 4,8·10^-16;

ПР(Fе(ОН)₃) = 3,8·10^-38.

Возможно использование шламовых отходов и отработанных растворов ряда производств: хлорид Аl - производство этилбензола, FеSО₄ - травление металлов и др.

Между количеством добавляемого коагулянта концентрацией удаляемой примеси существует нелинейная зависимость: чем выше концентрация примеси, тем меньше удельный расход коагулянта.

Дата добавления: 2015-07-13