Лекция №8. Тема: «Физико-химические основы удаления из воды ионных примесей»

Тема: «Физико-химические основы удаления из воды ионных примесей»

Природные воды являются полидисперсными системами, т. е. в них могут содержаться одновременно частицы, размеры которых соответствуют размерам коллоидных и грубодиспергированных частиц. Освобождение воды от грубодисперсных примесей осуществляется в процессе отстаивания. Коллоидные примеси при отстаивании воды не удаляются.

В зависимости от характера содержащихся в воде диспергированных частиц различают мутные и цветные воды. В мутных водах преобладают коллоидные частицы алюмосиликатов (глинистые), кремниевой кислоты и органоминеральных комплексов почвы. Коллоидные частицы примесей природных вод, как правило, имеют отрицательный заряд.

Метод обработки воды, направленный на удаление веществ, находящихся в коллоидном состоянии с помощью химических реагентов, называется коагулированием. Применяющиеся для этой цели химические вещества называют коагулентами. Коагулирование воды применяется для осветления мутных и обесцвечивания цветных вод. Наряду с коллоидными примесями при коагулировании удаляются из воды грубодисперсные частицы, а также планктон, бактерии и вирусы. Для очистки воды применяются следующие коагулянты: сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃ · 18H₂O, сульфат железа (II) FeSO₄·7H₂O (железный купорос), хлорид железа (III) FeCl₃·6H₂O, гидроксид алюминия Al₂(OH)₅Cl, метаалюминат натрия NaAlO₂

Коагулянты представляют собой соли, образованные слабыми основаниями и сильными кислотами, поэтому в воде они подвергаются ступенчатому гидролизу. Например:

Al³⁺ + H₂O Al(OH)²⁺+H⁺

Al(OH)²⁺ + H2O Al(OH)⁺₂+ H⁺

Al(OH)⁺₂ + H2O Al(OH)₃+ H⁺

С учетом возможности образования аквакомпексов схему гидролиза соединений алюминия можно записать следующим образом:

[Al(H₂O)₆]³⁺+H₂O = [Al(H₂O)₅OH]²⁺+H₂O⁺

Суммарное влияние реакции гидролиза сульфата алюминия в присутствии гидрокарбонатов можно записать следующим образом:

Al₂(SO₄)₃+3Ca(HCO₃)₂+6H2O = 2Al(OH)₃+3CaSO₄+6[H2O+CO₂]

Наряду с гидроксидами алюминия и железа в воде обычно присутствуют и промежуточные продукты гидролиза в форме основных солей. Основные сульфаты алюминия практически не растворимы в воде и образуются одновременно с гидроксидом алюминия при pH< 7, 5. Образующийся гидроксид алюминия обладает амфотерными свойствами. Его образование начинается при pH> 4, 5. При pH> 8, 5 происходит растворение гидроксида с образованием алюминатов по уравнению

Al(OH)₃+3NaOH = Na₃[Al(OH)₆]

^{Гексагидроосоалюмининат}

^натрия

Коагулирование воды – это сложный физико-химический процесс, включающий в себя три стадии: 1) образование коллоидного раствора гидроксида металла в результате полного гидролиза коагулянта; 2) коагуляцию образовавшегося золя коагулянта под действием анионов воды и его взаимодействие с коллоидными и грубодисперсными примесями воды; 3) процесс хлопьеобразования, завершающийся седиментацией. В процессе обработки воды необходимо поддерживать оптимальные условия для каждой стадии процесса.

При введении коагулянта в воду происходит его диссоциация и одновременно начинается процесс гидролиза коагулянта. Образующиеся коллоидные растворы гидроксидов алюминия или железа (III) коагулируют под действием анионов, содержащихся в воде. Особенно быстро происходит это процесс при рН 6, 5-7, 5, близких или соответствующих изоэлектрическому состоянию этих золей (для гидроксида алюминия при рН 6, 5-7, 5; гидроксида железа (III) при рН 5-7).

Основная роль при удалении коллоидных примесей воды отводится адсорбции их растущими агрегатами скоагулировавших частиц гидроксидов алюминия и железа. Максимальная адсорбция коллоидных частиц примесей воды происходит в начальный период формирования коагеля, т. е. в период скрытой коагуляции.

Коагуляция коллоидных частиц гидроксидов алюминия и железа вызывает анионами (сульфатами, гидрокарбонатами, хлоридами), содержащимися в обрабатываемой воде. Коагуляция идет с наибольшей скоростью при следующих пороговых концентрациях анионов (г-экв/л): С1-0, 07; НСО^-₃0, 005; SO₄^2- 0, 001-0, 002. В природных водах концентрации этих ионов обычно меньше и поэтому скорость коагуляции ниже.

Коагулярование с подщелачиванием. При коагулировании происходит снижение щелочности воды в результате взаимодействия гидрокарбонат-ионов с ионами Н⁺ гидролизующегося коагулянта. Так, при дозе сульфата алюминия 100 мг/л щелочности снижается на 0, 6 мг-экв/л, а при дозе 100 мг/л сульфата железа (II) – на 0, 72 мг-экв/л. При малой щелочности и низкой температуре воды коагулирование воды ухудшается. Для повышения эффективности процесса при недостаточной щелочности воды проводят коагулирование с подщелачиванием. Вместе с коагулянтом вводят реагенты, содержащие гидроксид -, карбонат-ионы, которые способствуют повышению щелочности. Для подщелачивания оюычно используюи известь (когда не ограничивается жесткость воды) и соду.