Дестабилизация коллоидной суспензии. Чтобы осуществить разделение коллоидной суспензии посредством силы тяжести с достаточной скоростью, необходимо вызвать агломерацию коллоидных примесей с образованием относительно крупных частиц.
Суспензия должна быть подвергнута искусственной обработке. Такое изменение суспензии может быть результатом двух различных процессов:
- дестабилизации, достигаемой обычно добавлением химических реагентов, которые путем сцепления или адсорбции снимают действие сил отталкивания, или же путем воздействия на гидрофильные коллоидные частицы;
- агломерации «нейтрализованных» коллоидов.
Агломерация является результатом действия различных сил притяжения между частицами, приходящими во взаимный контакт вследствие броуновского движения до тех пор, пока их размер не достигнет 0,1 мкм, а также результатом воздействия внешнего механического встряхивания, приводящего к образованию хлопка требуемого размера.
В практике обработки воды термин «коагуляция» принято относить к процессам дестабилизации и термин «флокуляция» — к укрупнению (агломерации) нейтральных коллоидов. Соответствующие реагенты известны как коагулянты и флокулянты.
Коагулянты и флокулянты. Применение
Систематическое использование поливалентных катионов неорганических солей в качестве коагулянтов началось в последние годы прошлого столетия, когда были установлены законы, управляющие их действием, и когда было показацо, что эффект коагуляции зависит от валентности иона, несущего заряд, противоположный знаку заряда частицы. Чем выше валентность, тем более эффективно коагулирующее действие (правило Шульце — Гарди). Эта теория, в частности, объясняет причину применения трехвалентных солей железа и алюминия в любых очистных системах с коагуляционной обработкой воды. Коагулянты, гидролизуясь, вызывают нежелательные изменения физико-химических характеристик обрабатываемой воды, pH, удельной электрической проводимости. Использование этих коагулянтов в больших дозах ведет к образованию избыточных количеств осадка, что часто вызывает большие затруднения. Более того, реагенты не всегда образуют осадок, обладающий характеристиками, необходимыми для его эффективного осаждения.
Указанные недостатки явились причинами применения других коагулянтов: не только природных веществ как неорганических (активная кремнекислота), так и органических (крахмал, альгинаты), но и синтетических реагентов (полимеров с высокой молярной массой), известных под названием полиэлектролиты.
Неорганические коагулянты. Наиболее часто в качестве коагулянтов используют соли железа и алюминия. По экономическим соображениям соответственно применяют сульфат алюминия и хлорное железо. Коагулирующее действие этих солей есть результат гидролиза, который проходит вслед за растворением, но не приводит сразу к образованию гидроксидов, таких как Аl(ОН)3. Промежуточные соединения алюминия— гидроксиалюминиевые комплексы — не только обусловливают изменения, необходимые для нейтрализации коллоидов, но в соответствии с уже сказанным способны к полимеризации, т. е. к образованию мостиков между коллоидами, чем обеспечивается инициация процессов флокуляции.
Количество коагулянта, которое следует применить для обработки воды, определяют опытным путем.
В зависимости от качества исследуемой воды характер кривой, показывающей изменение дзета-потенциала как функции дозы реагента, может изменяться в широких пределах.
Чтобы получить воду хорошего качества, достаточно (в случае, описываемом кривой, близкой к кривой 1 на рисунке ниже) добавить реагент в количестве, соответствующем точке А, что дает возможность достигнуть значения потенциала в пределах от —3 до —5 mV. С другой стороны, в случае, описываемом кривой 2, необходимо добавить реагент в количестве, равном В, что снизит дзета-потенциал до нуля.
Значение величины pH очень важно учитывать при изучении явлений коагуляции и флокуляции. Так, например, часть заряда коллоидной частицы, адсорбировавшей ОН——ионы, нейтрализуется при увеличении концентрации Н+ — ионов, что приводит к уменьшению стабильности коллоидной суспензии.
Предпочтительнее также работать в интервале значений pH, соответствующих минимальной растворимости металла используемого коагулянта.
Что касается солей алюминия, минимальная концентрация ионов Аl3+ в растворе имеет место при значениях pH между 6 и 7,4. За пределами этих значений концентрация растворенных ионов алюминия может быть более высокой в зависимости от общей минерализации воды.
В некоторых исключительных случаях обрабатываемая вода уже содержит большое количество примесей, богатых соединениями алюминия. Увеличение pH вызывает коагуляцию этих соединений.
Для солей железа интервал значений pH шире, а минимальная растворимость достигается, как только pH превышает 5.
Флокуляция
Активная кремнекислота представляет собой раствор поли-кремневой кислоты (H2Si03)4, получаемый полимеризацией кремневой кислоты в контролируемых условиях. Раствор нестабилен и готовится непосредственно перед использованием. Несмотря на этот недостаток и даже на развитие химии полиэлектролитов, активная кремнекислота длительное время была лучшим флокулянтом, способным связывать соли алюминия. Она до сих пор еще широко применяется в процессах обработки питьевой воды.
Органические полимеры — это длинноцепочные макромолекулы, либо встречающиеся в природе, либо полученные путем соединения синтетических мономеров; некоторые из них несут электрический заряд или имеют группы, способные к ионизации. Природные полимеры чаще неэффективны, а использование синтетических полимеров обычно приводит к высшей степени эффективному результату. Каждая страна создает свои собственные санитарные правила, определяющие использование полимеров для обработки воды.
В соответствии с ионным характером активных групп синтетические полимеры, общеизвестные как полиэлектролиты, распределяются на:
- неионогенные полимеры, представленные почти исключительно полиакриламидами с молярной массой от 1 до 30 млн.;
- анионные полиэлектролиты с молярной массой в несколько миллионов, содержащие как группы, обусловливающие адсорбцию, так и отрицательно заряженные ионные группы (карбоксильные или сульфогруппы), которые удлиняют полимер. Наиболее известны полиакриламиды, частично гидролизованные содой;
- катионные полиэлектролиты, имеющие в своих цепях положительный электрический заряд благодаря наличию аминной, иминной или аммониевой группы.
В связи с относительно несложным процессом получения многозарядных катионных макромолекул, область их практического применения расширилась; в некоторых случаях их используют для процессов коагуляции.
Положительные заряды полиэлектролита нейтрализуют отрицательные заряды коллоидов и снижают Z-потенциал. Снижение Z-потенциала с помощью полиэлектролитов происходит быстрее, поскольку при большем числе макромолекул вероятность столкновения с коллоидными частицами возрастает. Кривые С1 и С2, приведенные ниже, описывают эти два типа действия.
С другой стороны, анионные и неионогенные полиэлектролиты не снимают Z-потенциала. Кривые, полученные с этими полиэлектролитами, имеют сходство с изотермами адсорбции: активные радикалы цепи полимера адсорбируются на частицах, вызывая изменение состояния поверхности частицы и вследствие этого их Z-потенциала, что приводит затем к агломерации частиц в хлопок посредством поперечно-связующего механизма.
Если Ваш участок располагается в Воскресенском районе Московской области и Вам на нем требуется удалить опасные или не нужные деревья, то вам сможет помочь профессиональный арборист. Заказать удаление деревьев в Воскресенске можно перейдя по ссылке.
