ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА КОАГУЛЯЦИИ

Для того чтобы понять сущность процесса коагуля­ции, рассмотрим сначала причины устойчивости коллоид­ных растворов, т. е. причины того, почему коллоидные частицы неопределенно долгое время находятся во взвешенном состоянии и не осаждаются.

Коллоидные частицы, содержащиеся в воде, находят­ся в непрерывном и беспорядочном броуновском движе­нии. Между ними действуют силы взаимного притяжения и отталкивания. Силы взаимного отталкивания объясня­ются тем, что однородные коллоидные частицы имеют электрические заряды одного знака. Наличие электриче­ских зарядов объясняется следующими причинами. Каж­дая коллоидная частица обладает весьма значительной адсорбционной способностью, благодаря чему она адсорбирует из раствора ионы электролитов одного знака, которые распределяются равномерно по ее поверхности, образуя адсорбционный слой. Коллоидная части­ца вместе с адсорбционным слоем называется грану­лой. Ввиду наличия у гранулы электрического заряда вокруг нее концентрируются ионы с зарядами противо­положного знака (противоионы). Противоионы не связаны прочно с гранулой; они сохраняют способность к диффузии в окружающую жидкость, образуя вокруг гранулы диффузный слой, в котором концентрация противоионов уменьшается по мере удаления от гранулы. Гранула вместе с диффузным слоем называется мицел­лой; схема строения последней показана на рис. 7-1. При броуновском движении вместе с коллоидной ча­стицей движется двойной электрический слой, состоящий из ионов адсорбционного слоя и части противоинов диффузного слоя, содержащихся в оболочке воды, окружающей частицу. Остальные противоионы, расположенные вокруг двойного электрического слоя, отрывают­ся от движущей частицы. Благодаря этому последняя, потеряв часть противоионов, приобретает некоторый за­ряд, одинаковый по знаку с зарядом гранулы, но мень­ший по сравнению с ним по величине. Граница между двойным слоем и остальной частью диффузного слоя на­зывается поверхностью скольжения коллоидной частицы в растворе.

Рис. 7-1. Схема строения коллоидной мицеллы.

1 — ядро коллоидной частицы; 2 - адсорбционный слой; 3 — поверхность сколь­жения; 4 — двойной электрический слой толщиной А; 5 — диффузионный слой толщиной Б; 6 — адсорбироваинме ионы; 7 — противоионы; а — состояние ми­целлы, при котором коллоидная частица имеет отрицательный заряд; б — со­стояние мицеллы, при котором коллоидная частица не имеет заряда; в — состояние мицеллы, при котором знак заряда коллоидной частицы пере­менился с отрицательного на положительный.

Так как все однородные частицы имеют на поверхно­сти скольжения заряды одного знака, то между ними действуют силы взаимного отталкивания, которые, так

же как и сипы взаимного притяжения, уменьшаются с увеличением расстояния между частицами. Зависи­мость взаимодействия сил притяжения и отталкивания графически изображена на рис. 7-2. При уменьшении расстояния между частицами сначала действует резуль­тирующая сила взаимного отталкивания, возрастающая до своей максимальной величины в точке Б, после которой она уменьшается до нуля в точке В, а затем резуль­тирующая сила взаимного притяжения, возрастающая до своей наибольшей величины в точке Г при расстоянии между частицами, равном нулю.

Рис. 7-2. Зависимость взаимодействия сил оттал­кивания и притяжения от расстояния между кол­лоидными частицами.

ОА - расстояние между коллоидными частицами; AM -- кривая отталкивания; AN — кривая притяжения; АБВГ— результирующая кривая взаимодействия коллоидных ча­стиц; БД — «силовой барьер».

Для того чтобы произошла коагуляция, т. е. взаим­ное притяжение и слипание движущихся частиц, послед­ние должны преодолеть максимальную результирующую силу отталкивания—«силовой барьер» БД. Чем выше «силовой барьер», тем труднее его преодолеть и вы­звать коагуляцию. Чем меньше величина электрических зарядов, тем меньше сила взаимного отталкивания, тем ниже «силовой барьер». Снижение величины зарядов ча­стиц может быть достигнуто увеличением концентрации противоионов в растворе путем добавления к последнему соответствующих электролитов. При повышении концен­трации противоионов в расгворе требуется меньший объ­ем диффузного слоя для нейтрализации ионов адсорбци­онного слоя, т. е. происходит как бы сжатие его. Это сжатие может произойти до такого объема, при котором диффузный слой не будет выходить за пределы поверх­ности скольжения, т. е. он будет находиться в пределах двойного электрического слоя и противоионы будут пол­ностью уравновешены (рис. 7-!,б) и частицы лишаются электрических зарядов, а следовательно, и сил взаимного отталкивания. В результате между частицами будут дей­ствовать только силы взаимного притяжения, благодаря которым они начнут слипаться, укрупняться и далее вы­падать из коагулированной воды. При дальнейшем уве­личении концентрации противоионов диффузный слой мо­жет оказаться по объему меньше объема, ограниченного поверхностью скольжения. В этом случае произойдет перемена знака заряда частиц на поверхности скольже­ния (рис. 7-1,в), и между частицами вновь начнут дей­ствовать силы взаимного отталкивания.

Содержащиеся в поверхностных природных водах коллоидные частицы соединений алюминия, железа, кремния и гумусовых веществ, которые подчиняются из­ложенным закономерностям, являются амфолитами, т. е. веществами, обладающими амфотерными свойства­ми. Их молекулы, находящиеся на поверхности частиц, соприкасающейся с водой, способны в определенных условиях в зависимости от рН диссоциировать в воде как кислоты или щелочи, В результате этого вокруг каждой из коллоидных частиц образуется двойной электрический слой, причем величина заряда ча­стицы зависит от степени диссоциации, а знак заряда — от того, как диссоциируют молекулы амфолита: как кис­лота или щелочь. Степень и характер диссоциации зави­сят от концентрации водородных ионов, т. е. от показателя рН. Для каждого амфолита существует такое значе­ние рН среды, при котором его молекула не диссоциирует на ионы и заряд его частиц равен нулю. Такое состояние коллоидной системы называется изоэлектрическим, а соответствующее ему значение рН среды — рН изоэлектрической точки коллоидной системы. Если рН среды больше рН изоэлектрической точки амфолита, молекулы последнего диссоциируют как кислоты, и частицы его имеют отрицательные заряды. Если рН среды меньше рН изоэлектрической точки амфолита, молекулы последнего диссоциируют, как щелочь, и частицы его имеют поло­жительные заряды. Чем больше разность между.рН сре­ды и рН изоэлектрической точки амфолита, тем больше величина зарядов его частиц, тем устойчивее коллоидная система.

Изоэлектрическая точка глины достигается при рН = 5, гуминовых веществ — при рН=4. Поверхностные воды обычно имеют рН в пределах 6—8. Следовательно, эти вещества, находясь в поверхностной воде, диссоции­руют как кислоты: на поверхности их частиц располага­ются анионы, а в диффузном слое концентрируются ка­тионы. Благодаря этому частицы приобретают отрица­тельные заряды, и их система отличается относительно высокой степенью устойчивости.

Понижая рН путем подкисления воды до-рН изоэлектричеокой точки амфолитов, т. е. увеличивая концентра­цию водородных ионов, являющихся в данном случае противоионами, можно нейтрализовать отрицательные за­ряды частиц. В результате этого устойчивость коллоид­ной системы уменьшается и становится возможным сли­пание однородных частиц. Однако силы прилипания, дей­ствующие между взвешенными частицами, имеющими заряды различных знаков, недостаточно велики, что пре­пятствует образованию прочных и крупных агрегатов. Кроме того, этим процессом трудно управлять. Более эф­фективным способом коагуляции является процесс взаи­модействия различных по своей природе веществ, загряз­няющих поверхностные воды, и реагентов, добавляемых в осветляемую воду при ее коагуляции. Сущность такой коагуляции, получившей широкое практическое примене­ние, базируется на слипании разнородных частиц в рас­творах электролитов. В смеси различных коллоидных и грубодисперсных веществ достаточно, чтобы частицы одного какого-либо вещества оказались неустойчивыми, чтобы вся система начала коагулировать. В воде при ее химической обработке таким неустойчивым компонентом является гидроокись алюминия или железа, образующая­ся в результате гидролиза коагулянтов (см. ниже). Взвешенные частицы соединяются не непосредственно, а с помощью гидроокиси алюминия или железа, находящейся в изоэлекгрическом состоянии. Частицы гидроокиси сор­бируются на поверхностях взвешенных частиц и одновре­менно образуют как бы «клеевые мостики», связываю­щие взвесь в достаточно крупные и тяжелые агрегаты, осаждающиеся с приемлемой скоростью (рис. 7-3).

Рис. 7-3. Структура хлопьев, образующихся при

Поиск по сайту: