Что такое коагуляция способы коагуляции

Методы коагуляции

1. Центрифугирование. Под действием центробежной силы появляются «быстрые» частицы и происходит слипание частиц.

2. Коагуляция электрическим током.

Коллоидный раствор пропускают между разнозаряженными металлическими пластинами.

3. Добавка электролита.

Для коагуляции золей электролитами установлен ряд эмпирических закономерностей.

1. Для начала коагуляции золя необходима некоторая минимальная концентрация электролита, называемая порогом коагуляции γ.

2. Коагулирующим действием обладает тот из ионов электролита, заряд которого противоположен заряду коллоидных частиц, причем коагулирующее действие иона тем сильнее, чем больше его заряд. Правило Шульце – Гарди или правило значности: чем выше валентность коагулирующего иона, тем меньше его нужно для коагуляции.

где к- коэффициент, характеризующий дисперсную фазу, дисперсионную среду и структуру ДЭС.

Для одной и той же дисперсной системы соотношение между порогами коагуляции одно, двух и трехзарядных ионов будет таким:

Проще рассчитать порог коагуляции с учетом объема и концентрации электролита, вызывающего коагуляцию.

С_з и V_з – концентрация и объем золя.

3. В рядах неорганических ионов с одинаковыми зарядами (лиотропные ряды) коагулирующее действие возрастает с уменьшением гидратируемости ионов; например, в ряду однозарядных катионов щелочных металлов коагулирующее действие возрастает от лития к рубидию:

γ (Li + ) > γ (Na + ) > γ (К + ) > γ (Rb + )

Процесс коагуляции золя характеризуется определенной величиной скорости коагуляции, которую можно определить как изменение числа коллоидных частиц в единице объема за единицу времени. Скорость коагуляции золя электролитами зависит как от концентрации самого золя, так и от концентрации электролитов, а также времени коагуляции.

Концентрацию золя после коагуляции определяют по формуле

где с 0 и с t – численная концентрация до коагуляции (начальная) и после (конечная) соответственно.

Для упрощения формулы величину к•с 0 _ч выражают через время половинной коагуляции Θ. Это время, за которое начальная численная концентрация снизится в два раза. Оно определяется опытным путем.

Это формула относится к так называемой быстрой коагуляции (каждое сближение частиц приводит к их слипанию).

Особенности быстрой и медленной коагуляции характеризует константа скорости коагуляции.

где η – вязкость дисперсионной среды.

Найденная по этой формуле к_теор характеризует быструю коагуляцию. Если соблюдается условие к_экс

FeCl₃ + 3НОН → Fe (OH)₃ + 3 HCl

Fe 3+ + 3HOH → Fe (OH)₃ + 3H +

Образуется коллоидный раствор, так как есть стабилизатор – часть Fe (OH)₃ реагирует с HCl

FeOCl → FeO + + Cl —

Ионы FeO + легко адсорбируются на коллоидной частице.

Cl —

m Fe (OH)₃ FeO + потенциалопределяющие ионы

Далее на поверхности адсорбируются ионы Cl — , но их меньше чем FeO + . Остальные ионы располагаются около коллоидной частицы.

А. Коагуляция анионом.

Добавим электролит K₂SO₄. Он диссоциирует: K₂SO₄ → 2К + + SO₄ 2-

Коллоидная частица заряжена положительно и поэтому будет собирать вокруг себя ионы SO₄ 2- . А ионы К + отойдут от частицы подальше.

Cl — ←SO₄ 2- К +

FeO + FeO + Cl — ←SO₄ 2- К +

Ионы диффузного слоя не могут войти в частицу. Когда за ними оказываются ионы SO₄ 2- , они прижимают Cl — к поверхности. Диффузный слой сжимается, часть ионов входит в поверхность и нейтрализует заряд либо полностью, либо в основном. А такие частицы при столкновении слипаются.

Б. Коагуляция катионом.

При избытке KI образуется такая коллоидная частица

К + ← катион

I — I —

При прибавлении любого электролита вокруг коллоидной частицы собираются катионы и коагуляция идет аналогично.

Коагуляция электролитами широко используется при очистке воды. Там коллоидные частицы как правило отрицательно заряжены. В качестве электролита берут соли алюминия – Al₂(SO₄)₃ или AlCl₃. Вызвав коагуляцию, ионы Al 3+ гидролизуются и образуют Al(OH)₃, выпадающий в осадок. Свежевыпавший осадок очень хорошо адсорбирует все загрязнения.

4. Коагуляция смесью электролитов.

При использовании смеси электролитов возможны 3 варианта:

1. электролиты в смеси действуют также как и по отдельности, а действие их суммируется. Когда коагулирующие ионы близки по свойствам и особенно по заряду, то они оказывают аддитивное действие.(схожее)

2. электролиты в смеси ослабляют коагулирующее действие друг друга – антагонизм ионов.

3. электролиты в смеси усиливают коагулирующее действие друг друга. Это явление синергизма.

5. Взаимная коагуляция.

Это явление происходит при смешивании двух коллоидных растворов с противоположно заряженными частицами.

Так, смешение золя гидроксида железа, частицы которого имеют положительный заряд, с отрицательно заряженным золем сульфида мышьяка приводит к их взаимной коагуляции:

<[mFe(OH)₃] n FeO + · (n-x)Cl – > x+ · xCl – <[ mАs₂S₃] · n НS – · (n-x)Н + > x– · xН +

В данном случае коагуляция обусловлена тем, что коллоидные частицы одного вида являются как бы очень крупными многозарядными ионами – коагулянтами для частиц другого вида. Взаимная коагуляция коллоидных систем может наблюдаться и тогда, когда частицы золей имеют одноименный заряд; в этом случае причиной потери устойчивости одного из золей является сильная специфическая адсорбция иона – стабилизатора данной системы поверхностью коллоидных частиц другой системы.

6. Старение золей и пептизация (перевод осадка в коллоидный раствор).

Термодинамическая неустойчивость лиофобных коллоидных систем является причиной старения золей – самопроизвольной коагуляции (автокоагуляции) золей. Автокоагуляция золей происходит значительно медленнее, чем коагуляция электролитами. Одной из основных причин старения золей является медленно совершающийся процесс перекристаллизации вещества ядра.

Пептизацией (дезагрегацией) называется процесс расщепления коагулировавшего золя (коагулята) на первичные частицы – процесс, противоположный коагуляции. Пептизация возможна лишь тогда, когда структура частиц в коагуляте не изменена по сравнению с первоначальной (т.е. когда еще не произошло полного сращивания частиц и они слабо связаны друг с другом; иначе говоря — для свежих осадков).

Различают непосредственную и опосредованную пептизацию. Непосредственная пептизация происходит в результате добавления к коагуляту электролита, содержащего потенциалопределяющий ион; в результате его специфической адсорбции на поверхности частиц дисперсной фазы их заряд вновь увеличивается, толщина двойного электрического слоя возрастает. Это приводит к тому, что силы отталкивания между частицами начинают преобладать над силами притяжения; происходит деагрегация – распад образовавшегося ранее агрегата из слипшихся частиц. Опосредованная пептизация вызывается добавлением в систему вещества, химическое взаимодействие которого с поверхностью коагулята приводит к высвобождению потенциалопределяющих ионов.

Рассмотрим на примере коллоидного раствора AgI. Вызовем коагуляцию добавлением любого электролита. При этом выпадет осадок. Добавим ион, который хорошо адсорбируется на слипшейся поверхности частиц. Это либо I — , либо Ag + , то есть те, что есть в решетке. Скопление таких частиц на поверхности осадка приводит к отталкиванию коллоидных частиц и образованию коллоидного раствора.

Источник

Очистка воды коагуляцией и фильтрацией

Подавляющее число водоочистных сооружений в мире используют одни и те же технологии. И последовательно применяют такие методы очистки: коагуляция (+ флокуляция), отстаивание, фильтрацию и обеззараживание. Это наиболее распространенная схема очистки грязной воды и водоподготовки питьевой, которая используется с начала 20 века.

В этой статье мы в основном будем говорить о водоподготовке. Хотя эти же способы используются и для очистки сточных вод.

Авторы: Родион Магомедов, Алексей Кулаков
Время прочтения: 8 мин.

Метод очистки воды коагуляцией

Задача процесса водоподготовки подразумевает удаление из поверхностных, грунтовых вод различных механических примесей, коллоидных и взвешенных веществ. Повысить эффективность водоподготовки помогает метод очистки воды коагуляцией. Коагулирование обеспечивает лучшее выпадение загрязнений в осадок, тем самым ускоряя дальнейшее осаждение и фильтрацию.

Что такое коагуляция и флокуляция?

Коагуляция (Coagulatio — свертывание, сгущение, укрупнение) простыми словами — это объединение мелких частиц в более крупные. Коагуляция приводит к объединению мельчайших взвешенных примесей и выпадению их в виде хлопьевидного осадка.

Реагенты, применяемые для коагуляции, называют коагулянтами. Для коагуляции обычно используют соли алюминия или железа, такие как сульфат алюминия и сульфат или хлорида железа.

Главная особенность коагулянтов – их частицы имеют положительный заряд. Растворенные и взвешенные примеси заряжены отрицательно. Поэтому, в результате взаимодействия коагулянта и взвесей, они слипаются и образуют более крупные образования.

Рис 1: Коагуляция, флокуляция и осаждение

Иногда после коагулянта добавляют еще и флокулянт. Флокулянт — это компонент на основе полимера, который склеивает коагулированные взвеси между собой. В результате, удаляемые примеси собираются в крупные хлопья (флокулы), которые легче отфильтровать или собрать в осадок. Чем больше и тяжелее частица, тем быстрее она оседает или задерживается на фильтрующем материале.

В таблице ниже представлено как время осаждения включений зависит от их размера.

Диаметр частиц	Примеры включений	Время осаждения в слое воды высотой 1 метр
10 мм	Гравий	1 сек
1 мм	Песок	10 сек
0,1 мм	Мелкий песок	2 минуты
10 микрон	Одноклеточные микроорганизмы, микроскопические водоросли, элементы глины	2 часа
1 микрон	Бактерии, микроскопические водоросли	8 дней
0,1 микрон	Вирусы, дисперсные частицы	2 года
10 нм	Вирусы, коллоидные минералы	20 лет
1 нм	Вирусы, коллоидные минералы	200 лет

В процессе очистки методом коагуляции важно также время реакции и качество смешения реагента с водой. Коагулянт добавляют в воду, где он быстро смешивается и дальше циркулирует по системе. После реагентной обработки воду можно напрямую подавать на следующую по технологии стадию очистки, например:

После реагентной обработки воду можно напрямую подавать на следующую по технологии стадию очистки, например:

• на механические фильтры с зернистой засыпкой (песок, гравий);
• на отстойник, где флокулы оседают на дно под действием силы тяжести;
• на флотатор(метод очистки сточных вод), где взвешенные примеси удаляют пенной флотацией;
• на установки микро или ультрафильтрации.

Какие примеси убираются при очистке воды методом коагуляции?

Методом коагуляции из воды эффективно удаляют:

• Природные органические вещества и органические соединения, включая растворенные
• Взвешенные частицы, включая неорганические вещества (например, железо)

Высокое содержание органических соединений может вызвать неприятных вкус или запах или окрасить воду в коричневый оттенок. Однако, несмотря на то, что коагуляция удаляет часть взвешенных и некоторое количество растворенных частиц, в воде могут оставаться вирусы и бактерии.

В международном исследовании, опубликованном в 1998 году, приводятся данные, что коагуляция и осаждение удаляют от 27 до 84 процентов вирусов и от 32 до 87 процентов бактерий. Но обычно патогенные микроорганизмы удаляются из воды, только потому, что оттуда удаляются растворенные частицы, к которым они прикреплены.

На картинке ниже в воду был добавлен коагулянт и взвеси начали склеиваться и оседать.

Рис.2: Лабораторный тест коагулянта на станции водоподготовки

Хотя коагуляция не может задержать все мельчайшие организмы и вирусы она является важным предварительным элементом очистки, поскольку удаляет растворенные органические примеси, которые затрудняют последующее обеззараживание. В этом случае после коагуляции требуется меньшее количество хлорсодержащих веществ, необходимых для полного обеззараживания воды.

Это позволяет городским очистным сооружениям удешевить процесс, так как используется меньше хлорсодержащих компонентов. При этом качество воды будет выше, потому что снижается содержание тригалометанов, которые образуются как побочный продукт при реакции хлорсодержащих соединений с органическими примесями.

Чтобы сократить количество вредных веществ в чистой воде, следует соблюдать технику безопасности и не превышать дозировку обеззараживающих компонентов, так как в процессе реакции образуются дополнительные примеси и побочные продукты. Их состав зависит от используемого реактива. Примеры коагулянтов и образующихся соединений:

Коагулянт	Образующиеся элементы
Сульфат железа (например, FERIX-3)	Сульфаты, Fe
Хлорид железа	Хлориды, Fe
Сульфат алюминия	Сульфаты, Al

Большинство городских очистных станций используют в качестве коагулянта сернокислый алюминий. Обычно дозировка рассчитывается таким образом, чтобы все примеси извлекались с осадком.

Тем не менее, допускается, что очищенная вода, в которую добавлялись коагулянты на основе алюминия, может содержать некоторое количество алюминия.

Метод очистки воды фильтрацией

Фильтрование — способ механической очистки, при котором очищаемая жидкость проходит через слой фильтрующего пористого материала, где задерживаются частицы определенного размера. С ее помощью можно проводить как грубую, так и тонкую очистку.

Метод фильтрации широко распространен, как в крупных установках водоочистки, так и в бытовых фильтрах малой производительности.

Что происходит с водой во время процесса фильтрации?

Обычно в современных станциях очистки после коагуляции вода под напором поступает на фильтрационную установку, где удаляются примеси за счет продавливания потока, через засыпанный материал. При этом фильтры могут быть сорбционными (используются зернистые сорбенты) или механическими (примеси улавливаются в зазорах между зернами минеральной засыпки). Установки механической фильтрации могут содержать засыпку различной зернистости и в зависимости от этого задерживать загрязнения разной величины.

На рисунке ниже приведен образец самодельного фильтра с несколькими слоями засыпки, которые удерживают разные частицы. Например, диаметр мелкозернистого песка равен 0.1 мм, таким образом, только частицы мельче 0.1 мм могут пройти через этот слой. Но следуют помнить, что такая система сама по себе не обеспечивает достаточного качества воды, так как многие вредные примеси меньше 0.1мм (например, вирусы имеют размер 0.000001мм и меньше).

Рис.3: Самодельный фильтр

Существуют два основных типа фильтрации через песок и гравий: медленная и ускоренная

Медленная песчаная фильтрация

Медленные песочные фильтры (также называются английскими) для очистки воды используют бактерии. Микроорганизмы размножаются в верхнем слое песка и со временем там образуется слой, который называют «schumtzdecke» (немец. – грязное одеяло) или биопленкой.

Этот слой нужно чистить раз в два месяца, когда он становится слишком толстым или когда его пропускная способность снижается слишком сильно. После того как биопленка удалена, бактериям нужно несколько дней, чтобы вновь размножиться. После этого систему можно использовать снова.

Медленные песчаные фильтры применялись на протяжении многих лет. Первые системы начали эксплуатироваться в 19 веке в Лондоне. Недостаток подобных систем – габариты. Иначе говоря, требуется большая площадь песчаного слоя, поскольку вода просачивается через песок слишком медленно – средняя скорость составляет 0.1-0.3 метра в час.

Размеры и регулярные остановки на очистку привели к тому, что в начале 20 столетия водоподготовка медленной фильтрацией стала заменяться ускоренной.

Быстрые песчаные фильтры

Скорые фильтры используют не биологический, а физический способ задержания примесей. Подобные системы получили широкое распространение благодаря небольшим размерам и высокой производительности. По конструкции такие фильтры бывают напорные и самотечные. Во время напорной фильтрации вода проходит через песок со скоростью до 20 метров в час. Очистка обычно проводится дважды в день обратной промывкой, после чего фильтр возвращается в работу.

Однако современные технологии позволяют повысить эффективность медленных фильтров и уменьшить их размеры. Более того, есть примеры, когда современные методы очистки не смогли обеспечить нужного качества, а более «древние» – справились. Так, например, д-р Ханс Питерсон (Канада) обнаружил, что применение биологического процесса в сочетании с быстрыми фильтрами позволяет очистить воду из канадских озер до требуемых показателей.

Возможности современных способов очистки, таких как осаждение и песчаная фильтрация, приведены на схеме ниже, где они сравниваются с мембранными системами: обратным осмосом, ультра и нанофильтрацией. Мембранные системы можно еще назвать фильтрами тонкой очистки.

Рис.4: Возможности технологий фильтрации воды

Минеральные включения размером более 1 мм (графий, песок) можно удалить осаждением. Загрязнения размером 0.1мм (мелкозернистый песок) удаляются на песчаных фильтрах. Но со временем поры забиваются, и примеси не отфильтровываются. Поэтому иногда используют комбинацию материалов, чтобы большие частицы не закупоривали отверстия слишком рано.

Используя для засыпки более мелкозернистые материалы и добавляя коагулянт можно удалять частицы размером от 1 до 100 микрон.

Что удаляется во время фильтрации?

Размер удаляемых частиц, зависит от типа фильтрующей установки. Медленные фильтры удаляют простейшие одноклеточные микроорганизмы и вирусы. В результате получается довольно чистая вода, хотя в качестве мер предосторожностей мы рекомендуем обеззаразить ее.

Быстрые фильтры задерживают взвешенные частицы, к которым могут прикрепляться бактерии, тем не менее, очищенная вода содержит и бактерии. и вирусы.

Таким образом, хотя очистные сооружения задерживают большое количество вредных примесей, после фильтрации требуется обеззараживание, чтобы получить пригодную для питья воду.

Однако, несмотря на то, что скорые песочные фильтры не могут удалить бактерии и вирусы, механическая фильтрация – это важный элемент очистных сооружений. Подобно коагуляции, фильтрация удаляет взвешенные и растворенные вещества. Это также снижает потребность в хлорсодержащих соединениях, требуемых для обеззараживания.

Наша компания производит станции водоподготовки в блочно-модульном исполнении, для обеспечения водой поселков и промышленных объектов, которые удалены от коммуникаций центрального водоснабжения. В технологии очистки применяем методы коагуляции и фильтрации в напорном режиме на механических и сорбционных фильтрах, а также различные способы обеззараживания обеззараживания.

Предыдущая статья

Источник