Тема № 4. Коагуляція як метод водоочищення.

Питання теми:

4.1. Механізм очищення води коагулянтами.

4.2. Коагулянти.

Основні терміни: коагуляція, гідролізат, полімеризація, гірогіліт, димер, коагулянти.

4.1. Механізм очищення води коагулянтами.

Як коагулянти використовують переважно солі Алюмінію та Феруму. Од­ним із найпоширеніших коагулянтів є сульфат алюмінію. Ця сіль утворена багатозарядним катіоном слабко­го лугу і аніоном сильної кислоти, ступінчасте гідролізується з утво­ренням гідроксокомплексів скла­ду [АI(Н2О)5 (ОН)]2+ (перший сту­пінь), [АІ(Н2О)4 (ОН)]+ - (другий ступінь), АІ(ОН)з (третій ступінь).

 

Рис.4.1.Модель структури акваіонів.

На стадії приготування ро­бочих розбавлених розчинів суль­фату алюмінію за відсутності комплексоутворювачів при рн =З іон Алюмінію існує у вигляді аква-комплексу октаедричної структури (рис. 4.1.а), в якій кожна з шести молекул води першої координаційної сфери сполучена з двома молекулами води другої сфери. Обмін молекул води, координованих йонами Алю­мінію, відбувається за дисоціа-тивним механізмом. При цьому можна припустити, що дисоціативна взаємодія відбувається між протоном однієї з шести молекул першої (внутрішньої) координаційної сфери аквакомплексу алюмінію з молекулою води другої сфери з одночасним від­щепленням і другої молекули води зовнішньої сфери. Відщеплення протона зумовлює кислу реакцію водних розчинів.

Зі збільшенням концентрації йонів Алюмінію в розчині моль/дм3) відбувається гідролітична полімеризація з утворенням димерів за схемою, що представлена на рис.4.2.

 

Рис.4.2. Схема утворення димерів при гідролітичній полімеризації.

Вода другої сфери для спрощення на схемах не показана. Димеризація за певних умов може також відбуватися шляхом полімеризації моногідроксо-аквакомплексів.

Рентгеноструктурним аналізом встановлено, що структура димерів складається з двох октаедрів, сполучених по ребру за допо­могою гідроксид-іонів. Зв'язок між двома атомами Алюмінію здійснюється за участю діолов.

Гідраргіліт має шарувату структуру. Кожний шар побудований з АІ-октаедрів, сполучених між собою ребрами так, що утворюються шестичленні кільця. За Берналом і Мего, в гідраргіліті групи ОН~ нижньої частини одного шару накладаються на такі самі групи верхньої частини нижчерозташованого шару, сполучаючись за допо­могою водневого зв'язку.

Можна припустити, що відбувається гідролітична взаємодія гексамерів по ребрах октаедрів. У цьому разі утворю­ється тришаровий аквагідроксокомплекс, в якому середній шар сполучений з верхнім і нижнім по ребрах октаедрів водневими зв'язками. За попереднім розрахунком, цей поліядерний комплекс разом з гідратною оболонкою має розмір ~ 1,8—2,4 нм і є міцелою шаруватої структури. Зверху і знизу середнього шару, який складається з шести молекул гідроксиду алюмінію, розміщені два шестиядерних аквагідроксокомплекси із зарядом 3+. Коагуляція міцел відбувається завдяки гідролітичній взаємодії верхнього і нижнього шарів або по бічних ребрах за допомогою водневих зв'язків. Одночасно така взаємодія може спостерігатися з димерами та іншими поліядерними аквагідроксокомплексами алюмінію.

За достатньо високої концентрації гідроксид-іо­нів сульфат алюмінію гід­ролізується безпосеред­ньо до АІ(ОН)з зі структу­рою гідраргіліту. При цьому в нерівноважному розчині, яким є очищувана вода, неодмінно міститимуться також мономерні та ди-мерні аквагідроксокомп-лекси алюмінію, що утво­рюються ще на стадії приготування робочих роз­чинів. Ці комплекси хемо-сорбуються на поверхні часточок гідроксиду алю­мінію, надаючи останнім відповідного заряду.

Тому в дисперсній системі можуть міститися часточки, з великою дисперсністю і вели­чиною заряду. В результаті гідролізу їхня поверхня втрачає електричний заряд, що сприяє коагуляції. Зменшити електричний заряд можна введенням у дисперсну систему протилежно заряджених електролітів, колоїдів або фло­кулянтів. Позитивно заряджені часточки колоїдів можуть адсорбуватися безпосередньо на негативно заряджених часточках осаджуваних домішок, в результаті чого відбувається гетерокоагуляція.

Міцели коагулюють спонтанно в усьому об'ємі дисперсної системи за механізмом розгалуженого ланцюга з утворенням агрегатів переважно за рахунок міжмолекулярних сил Ван-дер-Ваальса за принципом бімолекулярної реакції. Взаємодія міцел відбувається в зоні швидкої коагуляції, коли всі часточки, що перебувають у броунівському русі, при зближенні злипаються. Кінетика швидкої коагуляції добре описується теорією Смолуховського.

Як було зазначено вище, між дисперсними часточками діють сили притягання і відштовхування. При введенні сульфату алюмінію в розчин за умов достатньо високих значень ά (великий лужний резерв) сили відштовхування слабшають, а потім повністю зникають. Міцели астабілізованого золю, перебуваючи на близькій відстані або зближуючись у результаті броунівського руху на досить близьку відстань, під дією вандерваальсових сил міжмо­лекулярного притягання і наступної гідролітичної взаємодії сполучаються водневим зв'язком у кулясті агрегати золю завбільшки порядку 20 нм. На їх поверхні розміщені заряджені поліядерні аквагідроксокомплекси алюмінію — активні центри поверхні. Позитивний заряд цих комплексів компенсується протиіонами SO42- якщо останні не сполучені з іншими йонами, що мають з ними більшу хімічну спорідненість.

Внаслідок наявності на поверхні часточок заряджених алюмінієвих аква-гідроксокомплексів виникають електростатичні сили відштовхування.