Методические указания к выполнению курсовой работы по курсу «Анализ и улучшение качества природных вод» для студентов IV курса, обучающихся по направлению 280400 «Природообустройство» Составители (стр. 13 из 18)
Коагуляцией примесей воды называется процесс укрупнения частиц, происходящий в результате взаимного слипания под действием сил молекулярного притяжения.
Коллоидные и тонко дисперсные примеси воды обладают определенной агрегативной устойчивостью, которая обусловлена наличием либо гидратной оболочки, либо наличием двойного электрического слоя.
Диспергированные часицы могут быть либо гидрофильными (притягивают к себе воду), либо гидрофобными (отталкивают от себя воду). Например, органические вещества, имеющие на своей поверхности растворимые в воде группы ОН, СООН, являются гидрофильными.
Коллоидный раствор состоит из дисперсной фазы и дисперсионной среды. Дисперсная фаза образована мицеллами.
Строение мицеллы
Пример 1. Строение мицеллы, образованной гидроокисью алюминия. Растворяясь в воде, сульфат алюминия образует малорастворимую гидроокись алюминия:
Al2(SO4)3 + 6 Н2О = 2 Al (OH)3 ¯ + 3 H2SO4 .
Это же уравнение в ионном виде:
2 Al3+ + 3 SO42- + 6 H+ + 6 OH- = 2Al (OH)3 ¯ + 6 H+ + 3 SO42-.
Формула мицеллы с ядром Al(OH3)
{m Al(OH)3 ∙2n Al3+ ∙3(n – x) SO42- }6х+∙3x SO42- , где
m Al(OH)3 – ядро мицеллы;
2n – число адсорбированных одним слоем ионов Al3+, называемых потенциал определяющими ионами;
3(n-x) SO42- – число притянувшихся вторым слоем ионов SO42-, называемых противоионами;
3x – число оттолкнувшихся за счёт сил отталкивания ионов SO42-, находящихся в диффузном слое;
{m Al(OH)3 ∙2п Al3+ ∙3(n – x) SO42- }6х+ – коллоидная частица с ядром
m Al(OH)3, имеет положительный заряд, её заряд (6х+).
В целом мицелла по заряду электронейтральна. Мицелла состоит из коллоидной частицы и ионов, находящихся в диффузном слое. Коллоидная частица в свою очередь состоит из ядра, потенциал определяющих ионов и противоионов.
Словесное описание строения мицеллы: m молекул Al(OH)3 образуют ядро мицеллы, в котором m может иметь величину 100 ¸ 1000. Поверхность ядра способна адсорбировать ионы, растворенные в воде. Песков и Фаянс установили правило адсорбции на поверхности ядра мицеллы растворенных в воде ионов.
Правило Пескова – Фаянса: на поверхности ядра мицеллы адсорбируются те ионы, которые входят в состав ядра.
В нашем случае на поверхности ядра (m Al (OH)3) адсорбируются
2n ионов Al3+, слоем толщиной в ионный радиус алюминия.
За счёт электростатических сил к адсорбированным ионам притягиваются ионы SO42-, толщина слоя в ионный радиус сульфат - иона, а именно,
3 (n - x) ионов SO42- – число притянувшихся противоионов, от которых за счёт сил отталкивания оттолкнутся 3х ионов SO42-, компенсируя заряд частицы и создавая диффузный слой мицеллы.
Пример 2. Строение мицеллы, образованной гидроокисью железа. Растворяясь в воде, хлорид железа образует малорастворимую гидроокись железа:
Fe Cl3 + 3 H2O ® Fe(OH)3 ¯ + 3 HCl
Формула мицеллы с ядром m Fe(OH)3 .
{m Fe(OH)3 ∙ n Fe3+ ∙3(n - x)Cl-}3x+ ∙ 3xCl-
{m Fe(OH)3 ∙ n Fe3+ ∙3(n - x)Cl-}3x+ – коллоидная частица с ядром
m Fe (OH)3 имеет положительный заряд, её заряд (3х+).
Пример 3. Строение мицеллы, образованной двуокисью кремния. Взаимодействуя с водой двуокись кремния образует кремниевую кислоту, которая диссоциирует на SiO32- и 2 H+.
SiO2 + H2O ® H2SiO3; H2SiO3 ® SiO32- + 2 H+
Формула мицеллы с ядром m SiO2 .
{ mSiO2 ∙ nSiO32- ∙ 2 (n-x) H+}2x- ∙ 2x H+
{ mSiO2 ∙ nSiO32- ∙ 2 (n-x) H+}2x- – коллоидная частица с ядром
m SiO2, имеет отрицательный заряд, её заряд (2х-).
Hаличие одноименного заряда у коллоидных частиц воды является важным фактором: оно делает систему устойчивой.
Например, отрицательно заряженные коллоидные частицы отталкиваются друг от друга, поэтому коллоидная система устойчива. Со временем под собственной силой тяжести коллоидные частицы оседают.
Чтобы быстро и полностью систему разрушить (чтобы коллоидные частицы слиплись, укрупнились и выпали в осадок), необходимо добавить коллоидные частицы противоположного знака. Взаимная коагуляция – к золю одного знака заряда добавляется золь другого знака заряда. Скрытая коагуляция – незаметная. Явная коагуляция – заметная.
Удаление адсорбированной воды с поверхности коллоида (дегидротация) так же способствует процессу коагуляции. Достигается дегидротация увеличением температуры.
Добавление электролитов в очищаемую воду сжимает диффузный слой коллоидных частиц, что способствует коагуляции. Чем выше заряд коагулирующего иона электролита, тем сильнее его коагулирующая способность. То наименьшее количество электролита, которое вызывает явную коагуляцию, называется порогом коагуляции.
Пример 4. Коагуляция примесей в гидрокарбонатной воде при добавлении Al2(SO4)3.
Сульфат алюминия в воде диссоциирует на ионы алюминия и сульфат-ионы:
Al2(SO4)3 ® 2 Al3+ + 3 SO42-.
При взаимодействии в воде ионов алюминия с гидрокарбонат - ионами образуется малорастворимая гидроокись алюминия, которая является ядром коллоидной частицы:
2 Al3+ + 6 HCO3- ® 2 Al(OH)3 ¯ + 6 CO2
{m Al(OH)3 ∙ n Al3+ ∙ 3 (n-x) HCO3- } 3x+ ∙ 3xHCO3-
__________ ________
ядро диффузный слой
_____________________________
коллоидная частица
Если продувкой воздуха удалять СО2, то процесс коллоидообразования улучшается.
Флокуляция – укрупнение частиц. Глобулы – крупные частицы.
При обработке мутных вод дозу коагулянта (Dk) Al2(SO4)3, FeCl3 или FeSO4 можно определить по табл.11.3. Меньшие значения принимаются при обработке вод, содержащих грубодисперсные загрязнения.
Таблица 11.3 – Доза коагулянта для обработки воды
| Мутность, мг/л | 100 | 200 | 400 | 600 | 800 | 1000 | 1400 | 1800 | 2000 |
| Dk, мг/л | 25-35 | 30-45 | 40-60 | 45-70 | 55-80 | 60-90 | 65-105 | 75-115 | 80-124 |
| ∆Dk, мг/л | 10 | 15 | 20 | 25 | 25 | 30 | 40 | 40 | 44 |
С увеличением мутности природных вод увеличивается доза коагулянта и интервал вводимой дозы коагулянта (∆Dk).
2. Обесцвечивание воды – это извлечение из воды окрашенных коллоидов или истинно растворенных примесей. Достигается обесцвечивание воды за счёт использования методов коагуляции, флотации, применения окислителей или сорбентов.
В качестве коагулянтов для обесцвечивания воды в неё добавляются Al2(SO4)3, Fe(OH)3,, H2SiO3. В табл. 11.4 приведены условия обесцвечивания природных вод коагуляцией Al2(SO4)3.
Таблица 11.4 – Условия коагуляции природных вод Al2(SO4)3
| Состав вод | Цветность, градус цв. | Щелочность, мг-экв / л | рН, ед. рН | Жесткость, мг-экв / л | Минерализация г / л |
| мягкие цветные | Цветные | До 1,6 | 5–6 | – | – |
| малоцветные | Более 50 градусов | 3–4 | 6–7,2 | 4,5 | – |
| малоцветные | До 40 градусов | Более 5 | 6,5–7,5 | 6–8 | 0,8–1 |
Доза коагулянта (Dk) зависит от цветности воды по уравнению:
, мг/л (11.1)
Доза коагулянта, необходимая для одновременного обесцвечивания воды и осветления её, рассчитывается как сумма доз, определённых для очищаемой воды по табл. 11.3 и по ур. 11.1
Измеряют мутность и цветность исследуемой воды, определяют для неё величину дозы коагулянта, приливают её, взбалтывают. После отстаивания в течение 20-60 минут вновь определяют мутность и цветность очищенной исследуемой воды.