Коагуляция представляет собой процесс объединения коллоидных и
мелкодисперсных частиц в более крупные агрегаты (флокулы), которые легко
осаждаются. Механизм коагуляции основан на нейтрализации электрического
заряда частиц и снижении энергии межчастичного отталкивания. Коллоидные
частицы в сточных водах обычно несут одноимённый электрический заряд,
создавая электростатическое отталкивание и препятствуя осаждению.
Этапы коагуляции:
- Дестабилизация коллоидов — уменьшение
электрического заряда частиц.
- Флокуляция — образование крупного осадка за счёт
слипания частиц.
- Осаждение — отделение образовавшихся флокулов от
жидкости.
Химические коагулянты
Наиболее распространённые химические коагулянты включают соли
алюминия и железа:
- Сульфат алюминия (Al₂(SO₄)₃·18H₂O) — широко
применяется для удаления взвешенных веществ, органики и фосфатов. При
растворении гидролизуется с образованием алюминиевых гидроксидов,
которые адсорбируют коллоидные частицы.
- Хлорид железа (FeCl₃) — эффективен при широком
диапазоне pH, способствует осаждению взвесей и органических
соединений.
- Сульфат железа (Fe₂(SO₄)₃) — применяется аналогично
хлориду железа, особенно при обработке промышленных сточных вод.
Коагулянты действуют по принципу электролитической
нейтрализации: ионы многовалентных металлов связывают
отрицательный заряд коллоидов, уменьшая их стабильность.
Механизмы дестабилизации
1. Снижение поверхностного заряда (прямое
скриннинг-эффект) Ионы коагулянта адсорбируются на поверхности
коллоида, экранируя одноименный заряд. Это уменьшает репульсивное
взаимодействие частиц.
2. Образование мостиков (мостиковая коагуляция)
Полимерные коагулянты или гидролизованные продукты металлов могут
образовывать «мостики» между частицами, способствуя их слипанию.
3. Осадкообразование (химическое осаждение)
Некоторые коагулянты, например гидроксиды алюминия и железа, осаждаются
в виде геля, захватывая коллоидные частицы.
Факторы, влияющие
на эффективность коагуляции
- pH среды — для алюминиевых коагулянтов оптимальный
диапазон pH 5–7, для железных 5,5–8,5. Изменение pH может менять
растворимость гидроксидов и эффективность дестабилизации.
- Температура — повышение температуры ускоряет
кинетику реакции, но может снижать стабильность флокул.
- Содержание органических веществ — высокое
содержание природных органических веществ (НОС) требует увеличения дозы
коагулянта.
- Ионная сила воды — присутствие растворённых солей
усиливает скрининг-эффект, облегчая коагуляцию.
Процесс коагуляции
в промышленных установках
- Дозирование коагулянта — автоматическое или ручное
введение химического реагента в поток сточных вод.
- Смешение — интенсивное перемешивание для
равномерного распределения коагулянта и контакта с коллоидами.
- Флокуляция — медленное перемешивание для
образования крупных агрегатов.
- Осаждение — накопление флокул на дне отстойника,
формирование осадка.
- Удаление осадка — механическое удаление флокул для
последующей утилизации или обезвоживания.
Применение коагуляции
- Удаление взвешенных веществ, коллоидной глины и ила.
- Снижение мутности и цвета воды.
- Обезвоживание органических соединений, в том числе
нефтепродуктов.
- Подготовка воды к дальнейшей фильтрации или дезинфекции.
Современные тенденции
- Использование полиэлектролитов в комбинации с
минеральными коагулянтами для увеличения флокуляции и снижения дозы
реагента.
- Разработка низкооксидирующих коагулянтов,
уменьшающих образование токсичных побочных продуктов.
- Внедрение передовых методов контроля, таких как
онлайн-измерение мутности и zeta-потенциала, для оптимизации дозировки
коагулянта.
Коагуляция остаётся ключевым этапом очистки сточных вод, обеспечивая
надёжное удаление коллоидных и органических загрязнителей и улучшая
эффективность последующих процессов водоподготовки.