Влияние рН на растворимость Al(OH)3

Fe

2. далее ионы Ме³⁺ начинают принимать участие в обменной адсорбции катионов, катионов природной воды (Na, K) на Ме³⁺ и внедрение последних, т.е. (Al³⁺, Fe³⁺) в адсорбционный и диффузионные слои коллоидных частиц. При этом происходит сжатие диффузионного слоя, уменьшение ζ, и нарушение агрегативной устойчивости взвеси. Следует отметить, что обменная адсорбция катионов протекает очень быстро. После этого обменная способность коллоидных частиц исчерпывается и устанавливается равновесие между катионами раствора и катионами, находящимися в адсорбционном слое.

3. Начинается гидролиз избытка коагулянта: при этом Al³⁺ начинает в первую очередь взаимодействовать с ионами, обусловливающими щёлочность природной воды, а именно с карбонат и гидрокарбонат ионами НСО₃^- и СО₃^2-:

Al³⁺+ 3HCO₃^- → Al(OH)₃↓ + 3CO₂↑

Al³⁺+ 3OHCO₂ → Al(OH)₃↓ + 3CO₂↑

2Al³⁺+ 3CO₃^2- + 3H₂O → 2Al(OH) ₃↓ + 3CO₂↑

↓

2Al³⁺+ 3(OHOH ∙ CO₂^2-) → 2Al(OH) ₃↓ + 3CO₂↑

Если используется железный корпус, то после образования Fe(OH)₂ последний переходит в Fe(OH)₃ под действием О₂ (воздуха, или специально вводимого окислителя).

Fe²⁺ + 2HCO₃^- → Fe(OH) ₂↓ + 2CO₂↑

↓

Fe²⁺ + CO₃^2- + H₂O → Fe(OH) ₂↓ + CO₂↑

↓

4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH) ₃↓

↓

Кроме выше приведённых реакций могут идти и следующие (гидролиз):

Al³⁺ + 3H₂O → Al(OH) ₃↓ + 3Н⁺

↓

Al³⁺+ SO₄^2- + H₂O → Al(OH)SO ₄ + H⁺

↓

Al³⁺+ SO₄^2- + HOH → Al(OH)SO ₄ + H⁺

↓

2Al³⁺+ SO₄^2- + 4H₂O → Al₂(OH)₄SO₄ + 4H⁺

2Al³⁺+ SO₄^2- + 4HOH → Al₂(OH)₄SO₄ + 4H⁺

Выделяющиеся Н⁺ в процессе гидролиза также могут взаимодействовать с ионами щёлочности природной воды:

Н⁺ + НСО₃^- → Н₂О + СО₂↑

2Н⁺ + СО₃^2- → Н₂О + СО₂↑

Н⁺ + ОН^- → Н₂О

Какие выводы можно сделать из всех выше приведённых реакций:

· Выделяющиеся Н⁺ ионы и СО₂ уменьшают рН обрабатываемой воды и сдвигают реакцию образования гидроксидов Ме³⁺ в обратную сторону.

Таким образом, для улучшения процесса коагуляции необходимо:

1. Связывать выделяющиеся ионы Н⁺ (если не хватает природной щёлочности т.е. ионов НСО₃^- и СО₃^2-) искусственно вводимыми в обрабатываемую воду реагентами. И в, частности, лучше всего для этих целей подходит известь (Са(ОН)₂). Кроме извести в воду может быть добавлена сода (N a₂CO₃), но соду добавлять не желательно. Т.к. именно в этом случае в воде появляется дополнительное количество СО₂ (которая, как указывалась ранее, сдвигает образование гидроксидов в обратную сторону).

А при использовании извести идёт в ионной форме проходит реакция:

Н⁺ + ОН^- → Н₂О

На практике чаще всего использую известь ещё и потому, что известь, кроме прямого своего назначения - подщелачивать воду, является ещё и электролитом. И при её добавлении в воду имеет место наряду с взвешенной коагуляцией электролитная.

А не растворимая часть извести (в товарном продукте нерастворимой части доходит до 70%) действует как механический сорбент.

Однако необходимо отметить, что коагулирующее действие коллоидов является более эффективным, т.к., например, коагуляция только за счёт электролита в воде с малой щёлочностью и высокой цветностью практически не происходит.

2. Для улучшения процесса коагуляции, как следует из выше приведён- ных реакций необходимо удалять СО₂. Это осуществляют на практике продувкой сжатого воздуха через обрабатываемую воду (физ. методы удаления из воды растворённых газов).

3. Необходимо строго следить за поддержанием оптимального значения рН обрабатываемой воды.

Влияние различных факторов на процесс взвешанной коагуляции коллоидов

На процесс коагуляции наибольшее влияние оказывают следующие факторы:

1. доза коагуллнта;

2. рН обрабатываемой воды;

3. температура;

4. содержание в воде взвешенных веществ, извести и др;

5. щёлочности воды;

6. анионный состав воды, окисляемость;

7. условия перемешивания.

Рассмотрим влияние некоторых из этих факторов:

Прежде всего необходимо отметить, что ПР и растворимость гидроксидов А1 и Fe очень мала.

Так ПР гидроксидов имеют следующие значения:

1. ПР_А1(ОН)3 = [Al³⁺] [OH^-]³ = 2∙ 10^-32 (18⁰C) =1, 9∙ 10^-33 (25⁰C) т.е. ещё > ↓

2. ПР_Fe(ОН)3 = [Fe³⁺] [OH^-]³ = 3, 2∙ 10^-38 (18⁰C) = 3, 8∙ 10^-38 (25⁰С) ~ осталось const

Или же если использовать растворимость этих соединений, то можно установить, что при 25⁰С она =

для А1(ОН)₃:

2, 9∙ 10^-9 м/л (0, 23∙ 10^-3 мг/л)

для Fe(ОН)₃:

2, 0∙ 10^-10 м/л (0, 21∙ 10^-4 мг/л)

Так же необходимо отметить, что растворимость А1(ОН)₃ уменьшается с увеличением температуры и уменьшением рН воды в интервале от 8, 5 до 7, 0

Влияние дозы коагулянта

Влияние дозы коагулянта разберём на примере коагуляционной кривой. Она имеет следующий вид:

Коагуляционную кривую можно разбить на три участка:

На 1-м участке (зоне) доза коагулянта является ещё малой. При этом эффект осветления и обесцвечивания незначителен при использовании отстаивания и фильтрования.

Во 2-й зоне – увеличение Д_к приводит к равному увеличению эффекта очистки от взвеси и от органических веществ, обуславливающих цветность.

В 3-й зоне – дальнейшее увеличение Д_к уже не приводит к заметному увеличению эффектов очистки от взвеси и от компонентов цветности. В этой зоне коагуляционная кривая как и в 1-й зоне практически параллельна оси абсцисс.

Зона 2 называеется порогом коагуляции и соответствует оптимальной Д_к.

Можно раскрыть важность нахождения именно оптимальной дозы коагулянта:

Так при недостатке коагулянта –эффект очистки (S), % мал,

При избытке коагулянта – имеет место перерасход коагулянта.

Причём, в зависимости от рН воды состав коагулянта значительно изменяется.

Влияние рН на растворимость Al(OH)3

Из этого графика следует, что при уменьшении рН менее 5 растворимость гидроксидов алюминия увеличивается. Установлено, что в этой области вместо гидроксида алюминия образуются его основные растворимые соли типа:

Al₂(OH)₄SO₄

Al(OH)SO₄

А при рН больше 8, 5 гидроксид алюминия ввиду своей амфотерности растворяется из-за образования алюминатов: NaAlO₂. Т.о., ввиду амфотерности соединений алюминия необходимо строго контролировать рН_опт.

Как показывает практика оптимальные значения рН коагулирования А1₂(SO₄)₃ вод различного качества является следующими:

1. Для мягких цветных вод (Ц > 50⁰С) при Щ до 1, 5 мг-экв/л - рН = 5-6;

2. Для малоцветных вод (до 40⁰С), Ж = 4-5 мг-экв/л, а Щ = 3-4 мг-экв/л – рН = 6-7, 2;

3. Для малоцветных, жестких вод (6-8 мг-экв/л), Щ > 5 мг-экв/л с С_с = 0, 8- 1, 0 г/л – рН = 6, 5-7, 5.

Fe(ОН)₃ не обладает амфотерными свойствами и диапазон рН его образования значительно шире, чем для гидроксида алюминия.

И, наконец следует указать, что гидроксиды Fe и А1 в воде практически не растворимы. (посмотреть величины ПР соответствующих гидроксидов). При осаждении хлопьев гидроксидов они увлекают за собой и адсорбируют на своей поверхности не растворимые частицы взвеси: ила, песка, глины, клеток планктона, крупных микроорганизмов, остатков растений и т.д.

Это явление носит название флокуляции: т.е укрупнение частиц взвеси при их столкновении и соосаждении.

Структура хлопьев образующихся при коагуляции

Кроме того, свежее осаждённые гидроксиды Fe и А1 имеют широко развитую поверхность и являются хорошими сорбентами. Они способны сорбировать на своей поверхности частицы бактерий, растворённые природные органические соединения, растворённые загрязнения искусственного происхождения (молекулы ПАВ красителей, ионы тяжёлых Ме и т.д.).

Влияние равномерности распределения коагулянта с водой и быстроты смешения

При введении коагулянта в обрабатываемую воду очень важно обеспечить равномерность его распределения во всём объёме. Почему? Т.к. в этой части воды, где доза коагулянта будет явно не достаточно, процесс коагуляции не произойдёт (это 1-я зона коагуляционной кривой).

В другой же части воды, где, например, доза коагулянта будет в избытке (3-я зона) то здесь будут образовываться очень крупные и рыхлые хлопья с большим количеством «захваченной» воды. При этом их плотность будет близка к плотности воды и эти хлопья не будут практически осаждаться.

И только в той части объёма обрабатываемой воды, где доза коагулянта будет соответствовать оптимальной Д_к – здесь процесс коагуляции будет протекать нормально.

Т.о. из сказанного следует, что равномерное распределение коагулянта по всей массе обрабатываемой воды является крайне необходимым условием для эффективного осуществления процесса коагуляции.

Следует также отметить, что не только при равномерном но и быстром смешении коагулянта с водой создаются условия для одновременного начала 1-й фазы (пирекинетической) коагуляции во всём объёме обрабатываемой воды, что является очень важным моментом для осуществления ∑ коагуляции.

Влияние температуры воды

процесс коагуляции во времени делится на две фазы:

I ф. – пирекинетическую

II ф. – ортокинетическую

I ф. проходит быстро и она заключается в нарушении агрегативной устойчивости после введения ионов Ме³⁺ (причины нарушения устойчивости нам уже известны). При этом происходит укрупнение частиц в результате их взаимного соудаления при их тепловом (броуновском) движении. А известно, что интенсивность теплового движения возрастает при увеличении температуры воды. Следовательно при этом будет и увеличиваться эффект укрупнения частиц. При этом образуются так называемые первичные (очень мелкие) частицы.

II ф. – ортокинетическая, в отличие от I ф. протекает в течение более длительного промежутка времени (примерно 60 минут и более). II ф. заключается в формировании крупных агрегатов и плотных хлопьев коагулянта. На образование крупных агрегатов уже не влияет броуновское, тепловое движение, т.е. температура. А этот процесс в основном зависит от условий перемешивания обрабатываемой воды, к-е осуществляют в камерах хлопьеобразования. При этом должны быть выбраны оптимальные условия перемешивания, при которых бы обеспечивался max контакт частиц и в тоже время хлопья бы не разрушались.