2. Определение оптимальных условий коагулирования Общие сведения

Сточные воды промышленных предприятий, как правило, представляют собой дисперсные гетерогенные системы. Классификация дисперсных систем основана на различии в агрегатном состоянии дисперсной фазы и дисперсионной среды. В сточных водах могут реализоваться следующие типы дисперсных систем.

Дисперсионная среда	Дисперсная фаза	Название системы
Жидкая	Твердая	Суспензии и золи
Жидкая	Жидкая	Эмульсии
Жидкая	Газообразная	Газовые эмульсии и пены

Эти системы относят к свободнодисперсным, в которых дисперсная фаза подвижна. Свободнодисперсные системы подразделяются на:

Ультрамикрогетерогенные 10^-7 – 10^-5 см,

Микрогетерогенные 10^-5 – 10^-3 см,

Грубодисперсные >10^-3 см.

Под устойчивостью дисперсных систем понимают постоянство их свойств во времени и в первую очередь, дисперсности, распределения по объему частиц дисперсной фазы и межчастичного взаимодействия. При очистке сточных вод требуется ликвидация устойчивости системы.

Устойчивость дисперсных систем подразделяют на два вида: устойчивость к осаждению дисперсной фазы (седиментационную) и устойчивость к агрегации ее частиц (агрегационную). По отношению к агрегации дисперсные системы могут быть устойчивы термодинамически и кинетически. Термодинамически устойчивые системы образуются в результате самопроизвольного диспергирования одной из фаз и называются лиофильными. Термодинамически неустойчивые называются лиофобными, они обладают различной кинетической устойчивостью к агрегации частиц. Для лиофильных систем характерно сильное межмолекулярное взаимодействие вещества дисперсной фазы со средой, а для лиофобных – слабое. Это взаимодействие приводит к образованию сольватных (гидратных, если средой является вода) оболочек из молекул дисперсионной среды вокруг частиц дисперсной фазы и называется сольватацией (гидратацией).

Укрупнение частиц может идти двумя путями. Один из них, называемый изотермической перегонкой заключается в переносе вещества от мелких частиц к крупным, так как химический потенциал последних меньше. Второй путь представляет собой коагуляцию, заключающуюся в слипании частиц дисперсной фазы. Коагуляция в разбавленных системах приводит к потере седиментационной устойчивости и расслоению фаз.

Типичные лиофобные системы коагулируют при введении в систему сравнительно небольших количеств любых электролитов. Наименьшая концентрация электролита См, при которой начинается медленная коагуляция, называется порогом коагуляции. Быстрая коагуляция требует такой концентрации электролита Сб, после увеличения которой скорость коагуляции остается постоянной.

Порог коагуляции существенно зависит от момента его фиксирования, от метода наблюдения за коагуляцией и от концентрации золя, поэтому необходимо подробно указывать условия определения этой величины.

Одним из вариантов коагуляции является взаимная коагуляция разнородных дисперсных систем – гетерокоагуляция. При гетерокоагуляции в воду добавляют минеральные коагулянты, например, соли алюминия, железа. Соли снижают агрегативную устойчивость системы, реализуется процесс седиментации и частицы загрязняющих веществ выпадают в осадок. В водном растворе происходит гидролиз электролита, например, в зависимости от значения рН воды и ее ионного состава для Al₂(SO₄)₃ возможно образование:

а) соединений катионного типа

Al₂(OH)₂⁴⁺, Al₂(OH)₅⁺, Al₄(OH)₆⁶⁺, Al₆(OH)₁₅³⁺, Al₇(OH)₁₇⁴⁺, Al₈(OH)₂₀⁴⁺, Al₁₃(OH)₃₄⁵⁺.

б) анионного типа - Al(OH)₄^-.

в) амфотерного типа - Al(OH)₃.

На рисунке представлено влияние концентрации водородных ионов на содержание ионных форм алюминия в растворе.

Гетерокоагуляции аналогичен процесс флокуляции, заключающийся в образовании агрегатов (хлопьев) из гетерогенных частиц в результате собирающего действия высокомолекулярных веществ, называемых флокулянтами. Механизм действия флокулянтов заключается в их адсорбции на нескольких частицах с образованием полимерных мостиков, связывающих частицы между собой. Флокулянты используют для осветления растворов, очистки вод от механических примесей. Они ускоряют процессы образования хлопьев и их осаждения, повышают плотность агрегатов и осадков.

На скорость коагуляции, флокуляции и гетерокоагуляции существенное влияние оказывают многие факторы: концентрация частиц, наличие примесей, температура, перемешивание, концентрация водородных ионов, последовательность введения коагулянтов и флокулянтов.

1. CuSO_4*5H₂O (15,6439 г - в мерную колбу на 250 мл)

2. K₄Fe(CN)₆*3H₂O (11,4662 г - в мерную колбу на 250 мл)

3.Al₂(SO₄)₃, с=1 г/л – коагулянт (1,946 г - Al₂(SO₄)₃*18 H₂O)

4.Фотоколориметр, КФК 5.Магнитная мешалка

6.Пипетка -5, 10,15, 20 мл 7.Колбы мерные на 50 мл, 7 штук

8.Стаканы (100-200 мл) – 5 штук 9.Колбы (150 мл) -5 штук

10. Фильтры –красная лента.

Для приготовления 1л золя в мерную колбу налить дистиллированную воду, прилить из пипетки, в первую очередь, 2,8 мл раствора K₄(Fe(CN)₆) указанной концентрации, а затем, при постоянном перемешивании, по каплям добавить 1,73 мл раствора CuSO₄ и довести объем до метки дистиллированной водой. Размер частиц полученного золя ферроцианида меди составляет 0,01 – 0,05 мк.

2.Построение калибровочного графика

Концентрация дисперсной фазы в золях смешанных ферроцианидов в процессах коагуляции и флокуляции определяется колориметрическим путем - сравнением оптической плотности исходного и анализируемого золей на фотоэлектроколориметре КФК с помощью предварительно полученного калибровочного графика. Для его получения отбирают в мерные колбы на 50 мл 5, 10, 15, 20, 25, 40, 50 мл золя, разбавляют его дистиллированной водой до 50 мл и определяют оптическую плотность относительно дистиллированной воды (=490 нм, кювета - 30 мм). График строят в координатах: содержание дисперсной фазы золя в 50 мл (или его концентрация мг/л) - оптическая плотность.

3.Изучение влияния концентрации коагулянта Al₂(SO₄)₃ на эффективность процесса коагуляции.

В пять стаканчиков емкостью 150-200 мл помещают по 50 мл гидрозоля, массовое содержание дисперсной фазы в котором составляет 100 мг/л. Затем в гидрозоль вводят определенное количество коагулянта, концентрация которого в исследуемом золе должно составить 10, 25, 50, 100, 200 мг/л. Концентрация коагулянта в исходном растворе - 1 г/л. Содержимое стаканов перемешивают 3 мин на магнитной мешалке, переносят на фильтр (красная лента) и фильтруют в чистые колбы емкостью 100 мл. Остаточное содержание дисперсной фазы золя после фильтрации (С) определяют колориметрически, используя калибровочный график.

C = a*1000/(V +Vk) мг/л, где: а - содержание золя в объеме V, мг,

V = 50 мл, объем раствора, до которого разбавляли пробу,

Vk – объем добавленного раствора коагулянта.

Степень коагуляции -  (%), определяют как  = (С_исх - С_ост)/С_исх,

где С - концентрация золя, мг/л.

Результаты необходимо представить графически в координатах: расход коагулянта - степень коагуляции.

4. Влияние рН на коагуляцию золя

В пять стаканчиков емкостью 150-200 мл помещают по 50 мл гидрозоля. Доводят значение рН золя соответственно до 3, 6, 8, 10, используя 0,1 н растворы NaOH и HCl. Добавляют в золь оптимальное количество коагулянта (по результатам предыдущего опыта), перемешивают 3 мин., фильтруют, фильтрат анализируют на содержание дисперсной фазы. Строят графическую зависимость степени коагуляции (%) от рН раствора.

1. 
   1.Пояснить отличие коллоидных растворов от истинных. Объяснить, что такое золь.
   
2. 
   2.Дать понятие седиментации, коагуляции, флокуляции.
   

3. 
   4.Рассказать порядок работы на рН-метре и фотоэлектроколориметре.