4.2. Коагулянти.

Для коагуляційного очищення природних і стічних вод як коагулянти най­частіше застосовують солі Алюмінію і Феруму та особливо сульфат алюмінію. Меншою мірою використовують хлорид і гідроксохлориди алюмінію, а також' сульфати і хлориди феруму, алюмінат натрію.

Сульфат і основний сульфат алюмінію.

Сульфат алюмінію застосовують для очищення кольорових і каламутних вод в інтервалі значень рн 5...7,5. Чим більша твердість і менша кольоровість оброблюваної води, тим вище оптимальне значення рн середовища. Безводний сульфат алюмінію — білий порошок зі щільністю 2710 кг/м3. З водних розчинів в інтервалі температур -12...+112,2°С кристалізується 16-гідрат сульфату алюмінію. За -12,0°С і вмісту сульфату алюмінію 27,2 % утворюється евтектика.

У повітряному середовищі під час нагрівання відбувається постійне ви­ділення води з утворенням 12-гідрату за 80-90°С і 6-гідрату - за 130°С. У замкнутій посудині 16-гідрат пла­виться у власній кристалізаційній воді за температури 86°С. Кристалогідрат, що містить 12 молекул води, під час нагрівання на повітрі не плавиться. В інтервалі 200—300°С утворюється моногідрат. Повна дегідратація відбу­вається за 450°С протягом двого­динного висушування.

Сульфат алюмінію у водних розчинах гідролізує з утворенням гідроксоіонів Алюмінію і йонів Гідрогену. Тому в його розчині може розчинятися гідроксид алюмінію, що спричинює підвищення рн розчину. Чим більша концентрація сульфату алю­мінію і вища температура, тим більша розчинність гідроксиду алюмінію. Проте слід брати до уваги, що за дуже високих температури і гідротермальних умов (понад 170°С) помітно утворюються важкорозчинні основні солі Алюмінію типу гідрогеновмісного алуніту.

В інтервалі значень рн 3,8...4,9 гідроліз йонів Аl відбувається за першою стадією з утворенням гідроксокомплексних йонів [АI(Н2О)5 (ОН)]2+; за рн 5...5,6 утворюються переважно йони [АІ(Н2О)4 (ОН)]+ за другою стадією гідролізу, осадження відбувається в інтервалі значень рн 5...11. Для забезпечення ідибокого осадження гідроксиду алюмінію значення рн очищуваної води має іеребувати в межах 7,2...7,6, а її температура — 20...30°С. У разі нижчих гемператур очищуваної води інтервал значень рн звужується і за 10°С становить 7...7,2. 3 лужного розчину АІ(ОН)з осаджується за рн близько 11.

 Сульфат алюмінію випускають у формі кусків невизначених розмірів масою дп 10кг або лусочок з масовою часткою аіоз 14—16,3%. У незначній кількості сульфат алюмінію поставляється споживачеві у вигляді розчину, що містить 8,7—7,7 % аіоз, а також у вигляді неочищеного продукту, який являє собою суміш сульфату алюмінію і нерозчинного залишку, переважно оксиду силіцію.

Таблиця 4.1. Вимоги до якості сульфату алюмінію.

Продукт	Сорт	Нормовані показники					Н.з./аіоз, Не більше
		Масова част­ Ка Аі^Оз, %, не менше	Масова частка, %, не більше
			Н.з.*	Н2SO4 (віль На)	Feоз	Аsоз
Сульфат алюмінію (очищений)	Вищий	17,0	0,2	—	0,02	0,003	—
	Перший	16,3	0,3	—	0,04	0,003	—
	Другий	15,0	0,5	0,05	0,70	0,003	—
Сульфат алюмінію технічний (очищений) у рідкому стані	—	7,2 ±0,5	1,0	0,1	0,1	0,003	—
Сульфат алюмінію Технічний (неочищений)	А	9,5	—	2,0	0,5	0,003	2,2
	Б	9,5	—	3,0	0,9	0,003	2,7

 

Істотним недоліком неочищеного сульфату алюмінію є низький вміст корисного компонента (сульфату алюмінію), а також підвищений — нерозчин­ного залишку та вільної сульфатної кислоти. Цей продукт характеризується незадовільним товарним виглядом, що спричинює великі ускладнення під час підготовки коагулянту до використання, підвищену агресивність розчинів та збільшення транспортних витрат. Як коагулянти можна застосовувати алюмінієві галуни. Проте їх застосування обмежене через високу вартість.

В останні роки розроблено технологію отримання нового ефективного коагулянту — дигідроксосульфату алюмінію (ДГСА). Основні переваги ДГСА перед сульфатом алюмінію полягають ось у чому: він працює в ширшому інтервалі значень рн очищуваної води, потребує меншого лужного резерву. Дигідроксосульфат алюмінію являє собою білий дрібнозернистий порошок. У разі повільної кристалізації можуть утворюватися великі кристали. Форма зерен призматична, рідко трапляються пластинчасті утвори. Розмір зерен коливається від 40 до 100 мкм за довжиною і від 10 до 25 мкм за шириною. Сіль, висушена за 150°С, представлена ізотропною оптично неактивною речовиною. Показник заломлення п = 1,468 за глибшого зневоднення солі збільшується до 1,528. Дифрактограма характеризується такими міжплощинними відстанями (іі/п), нм: 0,681; 0,495; 0,446; 0,388; 0,371:0,344.

На кривій ДТА дигідроксосульфату алюмінію спостерігається п'ять ендо­термічних ефектів, які свідчать про стадійне виділення води та оксиду сульфуру (VI). В інтервалі температур 80—500°С серед продуктів дегідратації виділя­ються кристалогідрати, що містять 12, 6, 4 і 3 молекул води.

Дигідроксосульфат алюмінію добре розчиняється у воді, краще, ніж суль­фат алюмінію. З підвищенням температури його розчинність збільшується.

Насичений за 22°С розчин солі густиною 1,25 кг/дм3 і концентрацією 8,5 % оксиду алюмінію не замерзає і не кристалізується протягом тривалого часу за температури (10...15)°С.

Значення рн розчинів дигідроксосульфату алюмінію в ділянці концентрацій 0,5—8 % , оксиду - змінюється в межах 4,09—3,14. Із зменшенням модуля основ­ності розчинів, а також з їх розбавлянням значення рн збільшується. Так, зі зміною основності розчину з масовою часткою аіоз 8 % від 3 (сульфат алюмінію) до 2 (ДГСА) значення рн зміню­ється в межах 2,15—3,8. Розбавляння розчинів до 0,2 % аіоз призводить до збільшення рн до 4,2 і супроводжується їх скаламутненням, що зумовлено утворенням важкорозчинних продуктів гідролізу. Під час зберігання розчинів, що містять 1—8 % аіоз, значення їх рн залишаються практично незмінними і розчини досить стійкі.

Хлорид і гідроксохлориди алюмінію.

Із хлоровмісних сполук Алюмінію найбільше застосування для очищення дрди знайшли хлорид алюмінію й особливо гідроксохлориди. Нині в промислових масштабах виробляють і широко застосовують у практиці водо-підготовки пентагідроксохлорид алюмінію АІ(ОН)5 СІ, що зумовлено цілою низкою його позитивних властивостей. Під час використання цього коагулянту інтенсифікується пластівцеутворення і прискорюється осадження коагульованих зависей. Значно зменшуються витрати коагулянту для очищення мало-забарвлених вод з низьким вмістом солей і завислих часточок. Інтервал оптимальних значень рн істотно розширюється, особливо в бік низьких значень. Оскільки пентагідроксохлорид алюмінію має меншу кислотність, він придатний для очищення вод з невеликим лужним резервом. Відносно сульфату алюмінію у разі використання еквівалентної кількості АІ(ОН)5 СІ лужність води під час взаємодії з гідрогенкарбонатом кальцію знижується в 6 разів. Враховуючи малий вміст хлорид-іонів у коагулянті, при його застосуванні солевміст очищуваної води збільшується меншою мірою, ніжу разі використання сульфату алюмінію. Крім того, зменшується кількість залишкового алюмінію в оброб­люваній воді. Пентагідроксохлорид алюмінію характеризується значно вищим вмістом водорозчинного алюмінію, а його розчини не потребують застосування неіржавних сталей і протикорозійного захисту апаратури та трубопроводів. Під час зберігання коагулянт не злежується і не старіє.

Хлорид алюмінію — кристалічний порошок білого кольору щільністю 2470 кг/м3, кристалізується у вигляді безбарвних псевдогексагональних плас­тинок. Він сублімується за 182,7°С і плавиться за 192,4°С і тиску 2,5 • 105 Па. Добре розчиняється у воді і майже в усіх органічних розчинниках.

З водного розчину кристалізується гексагідрат аісіз • 6Н2О щільністю 2400 кг/м3. Під час взаємодії з вологою повітря хлорид алюмінію гідролізує:

 

Під час нагрівання водних розчинів у результаті гідролізу утворюється гідроксохлорид алюмінію АІ(ОН)зсіз. Електролізом водних розчинів хлориду І алюмінію отримують гідроксохлориди АІ(ОН)зсі і АІ(ОН)5СІ.

Під час нагрівання аісіз • 6 Н О в інтервалі температур 50—70°С вида­ляється сорбована волога, а за 105—110°С внаслідок взаємодії з кристалі­заційною водою він розкладається. За 400°С утворюється аморфний оксид алюмінію.

У разі обробки алюмінію хлоридною кислотою, взятою в недостатній кіль­кості для повного розчинення, за температури кипіння утворюється пентагідро­ксохлорид алюмінію аіз(ОН)5СІ. З розчину його можна осадити добавлянням хлориду натрію. У разі повільного добавляння лугу до водного розчину хлориду алюмінію утворюється дигідроксохлорид АІ(ОН)2СІ. Гідроксо-хлориди алюмінію зі ступенем основності (відношення числа ОН- груп до чис­ла атомів Алюмінію в брутто-формулі) менше ніж 2 можна отримати і зберіга­ти впродовж тривалого часу, якщо концентрація хлоридів не перевищує 4,5 моль/дм3. Розчини зі ступенем основності 2—2,5 можна отримати і збері­гати в будь-яких технологічно виправданих концентраціях. Тверді продукти доцільніше отримувати з розчинів зі ступенем основності 2—2,5.

Алюмінат натрію.

Алюмінат натрію зазвичай використовують як добавку для інтенсифікації процесу коагуляції домішок води сульфатом алюмінію. Змінюючи співвідно­шення сульфату алюмінію та алюмінату натрію, можна досягти заданого значення рн, необхідного для задовільної коагуляції різних вод за будь-якої лужності. У водах з низьким значенням рн алюмінат натрію застосовується як основний реагент без сульфату алюмінію. Витрати алюмінату разом із сульфа­том алюмінію коливаються в межах 0,5—2 мг/дм3 за аіоз.

Ферумовмісні коагулянти

Із солей Феруму як коагулянти найбільше використовують сульфати феруму і хлорид феруму (III). Застосовують також ферумовмісні коагулянти, отримані хлоруванням залізної стружки у водному середовищі та анодним розчиненням заліза в розчині хлориду натрію або сульфатної кислоти. Солі феруму мають кращі коагуляційні властивості в інтервалі рн 3,5...6,5 або 8...11. Знебарвлення води краще відбувається при рн 3,5..,5,0. Ферумовмісним коагулянтам слід віддавати перевагу в разі очищення каламутних твердих вод з високим значенням рн, а також очищення стоків. Вони дають змогу усунути запахи і присмаки, зумовлені наявністю гідрогенсульфуру.

Сульфат феруму (II) кристалізуєть­ся з водного розчину в інтервалі тем­ператур -1,8...90°С у вигляді кристало­гідратів з сімома, чотирма і одним молем води. Гептагідрат сульфату феруму (II) утворюється в інтервалі температур-1,8...56,8°С у ви­гляді моноклінних кристалів світло-зе­леного кольору щільністю 1800 кг/м3, На повітрі він вивітрюється й окисню-ється з утворенням'основного сульфату феруму (III) жовтувато-коричневого кольору.

Тетрагідрат сульфату форуму кристалізується з водного розчину за 56,8-64°С у вигляді зелених кристалів щільністю 2200 кг/м3. За температури понад 64°С утворюються кристали моноклінноі'синго-нії щільністю 3050 кг/м3. Розчинність у воді сульфату форуму (II) із збільшенням температури від -1,8 до 56,7°С підви­щується відповідно від 14,91 до 35,3 %.

За наявності кисню у водному розчині сульфат феруму (II) окиснюється. Гептагідрат сульфату форуму (II) за 64°С розчиняється у своїй кристаліза­ційній воді, а за подальшого підвищення температури відбувається дегідратація з утворенням гексагідрату за 70°С, тетрагідрату — в інтервалі температур 70— 120°С і моногідрату — за 120—130°С. За 150-250°С останній при наявності кисню повітря перетворюється на основну сіль:

 

За 350-400°С основна сіль зневоднюється:

 

З водних розчинів сульфату форуму (III) кристалізуються 12-, 10-, 9-, 7-, 6- і 3-гідрати. Нонагідрат сульфату форуму (III) трапляється в природі у вигляді мінералу кокімбіту. Гексагональні кристали щільністю 2110 кг/м3 мають ко-роткопризматичну або пірамідальну форму. Гексагідрат трапляється в природі під назвою мінералу лаусеніту і кристалізується в моноклінній сингонії у вигляді таблитчастих безбарвних кристалів. В 0,1 кг води за 20°С розчиняється 0,44кг нонагідрату сульфату форуму (III).

 Зневоднення гептагідрату сульфату феруму (III) у повітряній атмосфері відбувається поетапно. В інтервалі температур 115—145°С утворюється пентагідрат, за 170—200°С - дигідрат і за 200—240°С - моногідрат сульфату феруму (III). В інтервалі температур 240—265°С утворюється безводний Реа(304)з. За 600—750°С у повітряній атмосфері видаляється сірка з утво-іренням у твердій фазі сполуки Ре40(304)5. З підвищенням температури ви-'палення в продуктах розкладання утворюється а-реаоз. За температур понад

 

Узагальнення.

Коагуляція – процес агрегації домішок під дією спеціальних речовин – коагулянтів. Процес проходить в декілька стадій:

1. Гідроліз коагулянту.

2. Утворення аквакомплексів, полімерна гідролізація коагулянту.

3. Взаємодія з часточками забруднення з утворенням міцел.

4. Агрегація міцел у пластівці.

В якості коагулянтів застосовують переважно сполуки Алюмінію та Феруму, що проходять попередню спеціальну обробку для підвищення вмісту активної діючої частини.

Література для самоосвіти: 3, 4, 5, 6, 10.