Физико-химическая сущность процесса коагулирования воды

ГИДРОЛИЗ СОЛЕЙ

Сущность гидролиза состоит в том, что катионы или анионы солей связывают соответственно гидроксильный или водородный ионы воды с образованием малодиссоциирующих или труднорастворимых соединений. Гидролиз сопровождается накоплением свободных ионов гидроксила или водорода и изменением рН среды. Гидролизу подвержены соли слабых кислот и слабых оснований, слабых кислот и сильных оснований, сильных кислот и слабых оснований. Соли, образованные сильной кислотой и сильным основанием, гидролизу не подвергаются.

Гидролиз протекает медленно и равновесие устанавливается не сразу. рН раствора можно определить согласно закону действия масс (подробно рассмотрено у Возной). Степень гидролиза зависит от температуры, концентрации раствора и рН среды. Гидролиз усиливают повышение температуры и увеличение разбавления. Соль, образованная сильной кислотой и слабым основанием, лучше гидролизуется при щелочном рН, а соль, образованная сильным основанием и слабой кислотой – при кислом рН.

Если гидролиз происходит в несколько ступеней, то полному протеканию процесса способствует связывание избыточных ионов водорода или гидроксид-анионов.

Примеры гидролиза солей:

1) , или в ионном виде (среда щелочная)

2) - при обычной температуре, в не очень разбавленных растворах

- при сильном разбавлении

- при нейтрализации избытка кислоты

ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ. КОЛЛОИДНЫЕ РАСТВОРЫ, ЭМУЛЬСИИ, СУСПЕНЗИИ, ПЕНЫ.

Коллоидный раствор (золь) – это особое состояние вещества, которое характеризуется размером частиц от 10^-9 до 10^{-7 м (1-100 нм), распределенных в той или иной среде. Это могут быть либо высокодисперсные (измельченные) частицы, находящиеся в среде, или среда, пронизанная порами такого размера. По степени дисперсности коллоидные растворы занимают промежуточное положение между молекулярными растворами и взвесями.}

Частицы золя представляют собой отдельную фазу, отграниченную поверхностью раздела фаз, след-но колл системы гетерогенные. Дисперсная фаза – совокупность частиц или пор и дисперсионная среда. Для водных коллоидных растворов: твердая фаза – дисперсная фаза, жидкость (вода) – дисперсионная среда.

Своеобразие коллоидных систем связано с наличием свободной межфазной энергии. Ее величина зависит от удельной поверхности. , S – суммарная поверхность, V – объем дисперсной фазы. Для частиц с длиной ребра 10^{-8 м}S₀=6*10⁶ см² или 600 м² на 1 см³ дисперсной фазы. Дальнейшее измельчение – исчезновение свободной межфазной энергии, т. к. система становится гомогенной (истинный раствор), исчезает поверхность раздела фаз. (рис.).

На границе раздела фаз самопроизвольно происходят процессы в направлении уменьшения свободной поверхностной энергии, вследствие этого коллоидные растворы термодинамически неустойчивы:

1) процессы в направлении уменьшения суммарной поверхности – укрупнение, слипание частиц, в результате колл р-ры коагулируют или превращаются в гель.

2) Убывает свободная энергия на границе раздела фаз. Это связано с процессами адсорбции. Путь стабилизации колл растворов.

По дисперсионной среде коллоиды делятся на:

1) аэрозоли (твердое в газе – пыль, дым; жидкость в газе – туман),

2) лиозоли, для воды гидрозоли (частицы глины, кремниевой кислоты, гуминовые вещества в природной воде); Вода как естественный коллоид. (Известно, что примеси, обуславливающие мутность и цветность воды, находятся в ней в коллоидном состоянии, причем коллоидные частицы глинистых веществ и гумусовых веществ заряжены отрицательно, а коллоидные частицы коагулянта (Fe(OH)3 или Al(OH)3) заряжены положительно).

3) солизоли (твердое в твердом – цветное стекло, жидкость в карбонате кальция – жемчуг).

(см лекцию)

По сродству поверхности частицы к воде делятся на лиофобные и лиофильные коллоиды. Если дисперсионная среда – вода, то гидрофильные и гидрофобные.

Способы получения коллоидных растворов.

Свойства коллоидных растворов.

Причины устойчивости гидрофобных коллоидных растворов:

1) Броуновское движение. За счет столкновения с молекулами воды коллоидные частицы непрерывно беспорядочно движутся. Коллоидные частицы настолько малы, что сила столкновений с молекулами воды сравнима с действием на них силы тяжести, поэтому они не оседают на дно, а остаются в тоще воды. При коагуляции (слипании) частиц их размер и вес увеличивается, коллоидный раствор превращается в суспензию (взвесь) и частицы оседают под действием силы тяжести.

2) Адсорбция на поверхности частиц защитных коллоидов

3) Адсорбция на поверхности частиц ионов, которые придают частице заряд. Одноименно заряженные частицы отталкиваются, что препятствует их слипанию (коагуляции). Строение коллоидной частицы гидрофобного золя:

Коллоидные частицы имеют сложное строение. В основе частицы лежит ядро – это кристалл или агрегат из микрокристаллов. Обладая свободной поверхностной энергией, ядро адсорбирует из окружающего раствора (воды) ионы, называемые потенциал-образующие, т.к. они сообщают частице заряд. Заряженное ядро для достижения электронеитральности адсорбирует из воды ионы, называемые противоионами. Часть противоионов располагается вблизи от заряженного ядра и образует адсорбционный слой, а другая часть вдали от ядра, образуя диффузный слой. Заряженное ядро с адсорбционным слоем образует гранулу, а гранула с диффузным слоем составляет мицеллу золя гидроокисей коагулянта. Так формируется двойной электрический слой. На границе раздела фаз – ядро и диффузный слой – имеет место скачок потенциала, называемый электрокинетическим – ζ дзета-потенциалом.

Рис. Строение мицеллы золя гидроокиси железа можно изобразить так:

Строение мицеллы золя Fe(OH)3:

Заряд коллоидных частиц гидроокиси алюминия (Al(OH)3) зависит от рН воды. В кислой и нейтральной среде коллоидные частицы гидроокиси алюминия заряжены положительно, а в щелочной среде – отрицательно.

Строение коллоидных частиц:

Если бы мицелла находилась в состоянии покоя, то заряд потенциал-образующих ионов компенсировался бы зарядом противоионов и в целом мицелла была бы электронейтральной. Но мицелла находится в состоянии движения, при котором диффузный слой отрывается от гранулы и гранула (частица) оказывается заряженной. Одноименно заряженные частицы не слипаются. Чтобы частицы слиплись, нужно либо понизить заряд, либо вовсе убрать его, что достигается действием электролитов, находящихся в воде. Коагулирующими ионами по отношению к положительно заряженным частицам коагулянта являются анионы воды, в основном (HCO₃^-, Cl^-, SO₄^2-), которые из воды проникают в диффузный слой, затем в адсорбционный слой и нейтрализуют заряд потенциал-образующих ионов. Коллоидные частицы теряют свой заряд и возможна их коагуляция (слипание)

СУСПЕНЗИИ.

Если частицы больше 100 нм, то соответствующая дисперсная система называется суспензией или взвесью. Процесс выделения взвешенных частиц под действием силы тяжести называется седиментацией или осаждением. Размер частиц от 100 нм до 1 мм. Коллоидный раствор в результате коагуляции превращается в суспензию, и частицы оседают под действием силы тяжести.

ЭМУЛЬСИИ

(не нужно для семинара)

ПЕНЫ

(не нужно для семинара)

Коагулирование воды.

Коагулирование (примесей) воды – это технологический процесс водоподготовки, осуществляемый с введением в воду химических реагентов – коагулянтов с целью осветления и обесцвечивания воды.

Осветление воды – удаление из воды веществ обусловливающих мутность.

Обесцвечивание воды – удаление веществ, обусловливающих цветность.

В качестве коагулянтов используют гидролизующиеся соли Al и Fe.

(например Al₂(SO₄)₃ – сульфат алюминия, NaAlO₂ – алюминат натрия (щелочной коагулянт), Al(OH)_mCl_n – гидроксихлориды алюминия, например пентагидроксихлорид алюминия Al₂(OH)₅Cl, FeCl₃ – хлорное железо)

Физико-химическая сущность процесса коагулирования воды

Коагулирование (примесей) воды – это сложный физико-химический процесс, состоящий условно из трех стадий:

I. Гидролиз вводимого коагулянта с образованием коллоидных частиц коагулянта

II. Коагуляция (слипание) коллоидных частиц коагулянта с образованием микрохлопьев

III. Стадия хлопьеобразования и осаждения хлопьев – микрохлопья сорбируют примеси воды, укрупняются и оседают.

I. Гидролиз вводимого коагулянта с образованием коллоидных частиц коагулянта

FeCl₃+HOH↔Fe(OH)Cl₂+HCl

Fe(OH)Cl₂+HOH↔Fe(OH)₂Cl+HCl

Fe(OH)₂Cl+HOH↔Fe(OH)₃↓ (коллоидная частица)+HCl

Чем выше концентрация коллоидных частиц, тем больше хлопьеобразование, а следовательно лучше идет осветление и обесцвечивание воды. При неполном протекании реакции гидролиза в воде остаются растворенные катионы коагулянта (Al³⁺, Fe³⁺), это нежелательно, т.к. может ухудшить качество воды. Особенно опасно превышение допустимой нормы по алюминию, т.к. в таких концентрациях он токсичен. Для этого нужно равновесие реакции гидролиза сместить в сторону коллоидных частиц (вправо). В практике водоподготовки это достигается за счет:

1) Разбавление маленького объема раствора коагулянта большим объемом обрабатываемой воды.

2) За счет естественной (гидрокарбонатной) щелочности воды, которая связывает ионы водорода и смещает равновесие в сторону коллоидных частиц

H⁺+HCO₃^-=H₂O+CO₂↑

Если естественная щелочность воды мала, тогда для связывания образующихся при гидролизе ионов Н⁺ в воду дополнительно вводят подщелачивающие реагенты (Ca(OH)₂ – известь, Na₂CO₃ – сода).

Связывают по реакции: H⁺+OH^-=H₂O; Na₂CO₃: 2H⁺+CO₃^2-=H₂O+CO₂↑

Дозы подщелачивающих реагентов (Ca(OH)₂, Na₂CO₃) определяют:

1) Ориентировочно по формулам

, где

- доза коагулянта, мг/л

- эквивалент коагулянта

Щ – естественный щелочной резерв воды или естественная щелочность исходной воды ммоль/л

1 – резервная естественная щелочность воды ммоль/л

28 – эквивалент СаО

53 – эквивалент Na₂CO₃

2) На основании данных технологического анализа пробного коагулирования воды (см. л/р, л/р на 4-ом курсе) – в лабораторных условиях обрабатывают образец воды различными дозами подщелачивающего реагента совместно с коагулянтом. По результатам лабораторного испытания за необходимую дозу подщелачивающего реагента при коагулировании воды принимают такую дозу, при которой:

1) рН воды, обработанной реагентами (коагулянт и подщелачивающий реагент) не больше 9.

2) Остаточная гидратная (свободная) щелочность не больше 0,5 ммоль/л

3) Остаточная мутность и цветность воды удовлетворяют требованиям потребителя.

II. Вторая стадия процесса коагулирования воды – это коагуляция (слипание) коллоидных частиц коагулянта с образованием микрохлопьев.

Известно, что многие примеси воды находятся в ней в коллоидном состоянии, причем коллоидные частицы глинистых веществ и гумусовых веществ заряжены отрицательно. Коллоидные частицы коагулянта (Fe(OH)₃ или Al(OH)₃) заряжены положительно.

Строение мицеллы золя Fe(OH)₃:

Заряд коллоидных частиц гидроокиси алюминия (Al(OH)₃) зависит от рН воды. В кислой и нейтральной среде коллоидные частицы гидроокиси алюминия заряжены положительно, а в щелочной среде – отрицательно.

Строение коллоидных частиц гидроксида алюминия:

Чтобы частицы слиплись, нужно либо понизить заряд, либо вовсе убрать его, что достигается действием электролитов, находящихся в воде. Коагулирующими ионами по отношению к положительно заряженным частицам коагулянта являются анионы воды, в основном HCO₃^-, Cl^-, SO₄^2-, которые из воды проникают в диффузный слой, затем в адсорбционный слой и нейтрализуют заряд потенциал-образующих ионов. Коллоидные частицы теряют свой заряд и возможна их коагуляция (слипание).

рН 6,5-7,5 (7,2) – это изоэлектрическая точка коллоидной частицы Al(OH)₃, изоэлектрическая точка Fe(OH)₃ при рН 5-7 (6,5). То есть коллоидные растворы коагулянтов коагулируют при рН, соответствующем естественным значениям рН природных вод. Изоэлектрическая точка несколько изменяется в природных водах с различным содержанием растворенных солей.

Катионный состав воды (Ca²⁺, Mg²⁺) играет свою роль в процессе коагулирования, т.к. способствует снижению заряда коллоидных частиц примесей.

III. Третья стадия – стадия хлопьеобразования и осаждения хлопьев. Микрохлопья, обладая большим запасом свободной энергии, адсорбируют из воды коллоидные и мелкодисперсные примеси, обусловливающие мутность и цветность воды. Характер сорбции в основном физический. В результате образуются хлопья, которые под действием силы тяжести оседают и захватывают на своем пути крупнодисперсную взвесь.

Дата добавления: 2023-01-08; просмотров: 31; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!