Коагуляция в процессе водоподготовки

Органические примеси, находящиеся в природных водах, создают в основном коллоидные системы. Как правило, их частицы несут отрицательный заряд. Наличие органических коллоидов в воде затрудняет некоторые процессы подготовки воды для паросиловых установок, а также и процессы самой генерации пара. В связи с этим водоподготовка предусматривает удаление коллоидных примесей из природных вод. Удаление их фильтрованием воды через какие-либо механические фильтры невозможно, так как размеры коллоидных частиц слишком малы. Поэтому удаление коллоидных примесей проводят коагуляцией.

Коагуляция осуществляется с помощью реагентов-коагулянтов, обычно сульфатов алюминия или железа. Эти соли, вводимые в определенных количествах в очищаемую воду, подвергаются гидролизу с образованием соответствующих труднорастворимых гидроксидов Fe(OH)₃ и AI(OH)₃. Последние в процессе образования дают коллоидные растворы, частицы которых несут заряд, обратный по знаку заряду органических коллоидных частиц, т.е. положительный. В результате осуществляется процесс взаимной коагуляции: при взаимодействии двух коллоидных систем происходит уменьшение заряда, дегидратация и, наконец, укрупнение частиц. Образующиеся при этом крупные хлопья могут быть легко удалены с помощью фильтрования.

4.9. Методы получения лиофобных коллоидов

Коллоидные растворы могут быть получены либо путем ассоциации (конденсации) молекул и ионов истинных растворов, либо раздроблением частиц грубодисперсных систем. В отдельную группу может быть выделен метод получения с помощью пептизации.

4.9.1. Методы конденсации

4.9.1.1. Метод физической конденсации

Этот метод основан на конденсации паров в вакууме на поверхности сосуда, охлажденного жидким воздухом (рис. 29). Для этого в отростках 1 и 3 прибора подвергаются испарению одновременно диспергируемое вещество (например, натрий) и дисперсионная среда (например, бензол) при температуре 673 К. Пары этих веществ конденсируются на поверхности сосуда 4, охлаждаемого жидким воздухом до 197 К, при этом охлажденный твердый бензол, намерзающий на стенках, содержит затвердевший натрий. После удаления из сосуда 4 жидкого воздуха температура постепенно повышается, оттаявшая смесь бензола с натрием попадает в отросток 2, образуя коллоидный раствор натрия в бензоле.

Перевести растворенное вещество, находящееся в молекулярно-дисперсном раздроблении в коллоидное раздробление можно заменой одного растворителя другим. Для этого необходимо иметь два смешивающихся между собой растворителя, один из которых хорошо растворяет вещество, а другой – не растворяет. Так, мастика хорошо растворима в спирте и почти не растворима в воде. При добавлении к спиртовому раствору мастики воды происходит резкое понижение растворимости мастики, в результате чего молекулы соединяются в коллоидные частицы. Так же получают коллоидные растворы серы или канифоли.

4.9.1.2. Методы химической конденсации

 К этой группе относятся методы, основанные на проведении в растворе химических реакций, сопровождающихся образованием нерастворимых или труднорастворимых веществ. Так, красный золь золота получают восстановлением соли золота формальдегидом до металлического золота с образованием золя золота по схеме:

         2NaAuO₂+3HCOH+Na₂CO₃ = 2Au+3HCOONa+NaHCO₃+H₂.                         (20)

На образующихся частичках (кристалликах золота) адсорбируются ионы AuO₂^–. Аналогичным образом получают желто-коричневый золь серебра.

При действии на каменную соль NaCl радиоактивного излучения выделяется металлический натрий, который, распределяясь в кристаллической среде, обусловливает голубое окрашивание кристаллов.

Золи образуются также в результате химической реакции двойного обмена, в результате которых образуется нерастворимое вещество, которое при соответствующих условиях превращается в коллоидный раствор.

Процесс гидролиза различных растворимых соединений (например, FeCl₃) часто сопровождается образованием нерастворимых веществ, которые превращаются в коллоидные растворы.

4.9.2. Дисперсионные методы

4.9.2.1. Метод механического раздробления

В основе этих методов лежит раздробление твердых тел до частиц коллоидного размера. Процесс раздробления осуществляется: механическим или электрическим раздроблением, действием ультразвука. Механическое раздробление проводят в коллоидных мельницах (см. рис. 30). Частички вещества в предварительно измельченном виде смешиваются с соответствующей жидкостью, содержащей стабилизатор, и в виде взвеси подаются через загрузочное отверстие. При помощи быстро вращающихся лопастей взвесь приводится в быстрое вращение, в результате чего частицы вещества приобретают скорость и, ударяясь о неподвижные выступы, разбиваются на мелкие частицы.

4.9.2.2. Получение коллоидных частиц методом электрического распыления

Этот метод состоит в том, что через какую-либо дисперсионную среду (воду, например) пропускают электрический ток между электродами, изготовленными из материала, коллоидный раствор которого хотят получить. Так, для получения золя платины используют платиновые электроды, пропуская между ними электрическую дугу. При этом один электрод распыляется.

4.9.2.3. Получение коллоидных растворов с помощью ультразвука

Колебания воздуха с большой частотой (10 ⁵ ¸ 10⁶ Гц) называются ультразвуковыми волнами, которые образуются благодаря применению так называемых пьезоэлектрических осцилляторов. При этом взвесь грубодисперсного вещества под действием ультразвуковых волн размельчается до коллоидного состояния. Этим методом можно получить коллоидные растворы смол, гипса, графита, металлов, красителей, крахмала и многих других веществ.

4.9.2.4. Метод пептизации

В отличие от других методов образования коллоидных растворов при пептизации не происходит изменения степени дисперсности частиц. Ионы пептизатора хорошо адсорбируются на поверхности коллоидных частиц осадка и обусловливают их переход в золь. Различают непосредственную (если на поверхности частиц адсорбируется непосредственно добавленный пептизатор) и посредственную пептизацию (на поверхности адсорбируется продукт взаимодействия пептизатора с веществом дисперсной фазы).

Пример непосредственной пептизации – диспергирование студенистого осадка Fe(OH)₃ при действии на него FeCl₃.

Примером посредственной пептизации может служить получение того же золя Fe(OH)₃ при действии разбавленной соляной кислоты. При этом часть молекул Fe(OH)₃, взаимодействуя с соляной кислотой, переходят в оксохлорид железа (FeOCl). Молекулы FeOCl, адсорбируясь на поверхности частиц осадка Fe(OH)₃, переводят его в коллоидное состояние.