Коагуляция. Механизмы коагулирующего действия электролитов. Порог коагуляции. Правило Шульца-Гарди. Процессы коагуляции при очистке питьевой воды и сточных вод

1 Коагуляция - процесс слипания коллоидных частиц при потере системной агрегативной устойчивости.
Движущей силой коагуляции служит избыточная поверхностная энергия коллоидных систем. Коагуляция происходит под влиянием внешних факторов: температуры, света, электрического тока, механического воздействия, действия электролитов. При коагуляции изменяются физико-химические свойства коллоидов: изменяется электрическая проводимость, появляется муть, увеличивается осмотическое давление и т.п.
Важное влияние на коагуляцию оказывают электролиты. Ход коагуляции в зависимости от концентрации электролита можно разделить на 3 типа коагуляции:
1) Скрытая - СК
2) Медленная - МК
3) Быстрая – БК

2. 1 – силы межмолекулярного притяжения
2 – силы электростаического отталкивания
3 – результатирующая кривая
Затемненная область – зона устойчивости
Согласно физической теории коллоидные частицы могут свободно сближаться в результате Броуновского движения до расстояния в 10^-5 см. Дальнейшему их сближению препятствует расклинивающее давление /∆U/.
Это давление обусловлено силами электростатического отталкивания и силами упругости, возникающими в тонких слоях Н₂О, прилегающих к коллоидной частице.
1. Если при столкновении частицы обладают достаточной Е, чтобы преодолеть расклинивающее давление, то они сближаются до расстояния 10^-7 см, где преобладают силы притяжения. Идет агрегация частиц, т.е. процесс коагуляции. Это характерно для частиц с низким значением ε и малой толщиной диффузного слоя.
2. Если при столкновении частицы не обладают достаточной Е, чтобы преодолеть ∆U, то преобладают силы электростатического отталкивания. Система находится в зоне устойчивости.
Агрегация частиц не наблюдается, коагуляция не идет.
Это характерно для частиц с высоким значением ε, с большой толщиной диффузного слоя.
Коагуляция с наибольшей скоростью идет, когда ε больше 0, т.е. при отсутствии диффузного слоя.

3 Порог коагуляции. [|Действие электролита на коллоидную систему подчиняется следующим правилам:]
1.Практически все электролиты могут вызывать коагуляцию лиофобного золя.
2.Коагуляция начинается тогда, когда концентрация электролита достигает определенной величины.
Минимальная молярная концентрация электролита, при которой начинается коагуляция золя объемом 1 м³, называется порогом коагуляции:

γ - порог коагуляции, моль/м³,
z - количество валентных электронов иона,
c_эл - концентрация электролита, моль/м³,
v_эл - объем прилитого электролита, м³,
v_золя - объем золя, м³.
С =[моль/л]
Величина, обратная порогу коагуляции, называется коагулирующей способностью электролита.
К.С. =1/С_порог.

4 Правило Шульце-Гарди:
- Коагулирующим действием обладает ион, заряженный противоположно грануле;
- С повышением заряда коагулирующего иона его коагулирующая способность повышается, т.е. понижается порог коагуляции.
Коагулирующая способность ионов одного и того же заряда может быть выражена лиотропными рядами, в которых ионы расположены по убывающей коагулирующей активности:
Li⁺>Na⁺> K⁺>Rb⁺>Cs⁺
Mg²⁺> Ca²⁺> Sr²⁺> Ba²⁺
Cl^->Br^-> NO^3-> I^-
- При одинаковом заряде ионов коагулирующая способность тем выше, чем больше радиус иона. Т.к. с увеличением радиуса иона уменьшается его гидратация.
Чем меньше радиус атома, тем сильнее гидратирован ион, тем слабее его притяжение к противоположно заряженной поверхности, тем слабее его коагулирующая способность.
- Для органических электролитов коагулирующая способность возрастает увеличением углеводородного радикала на одну метиленовую группу (-СН₂-).
С процессом коагуляции связано несколько явлений:
1) Перезарядка золей - изменение заряда гранулы при добавлении к золю электролита, содержащего многозарядные ионы.
2) При коагуляции смесью электролитов может наблюдаться:
а) явление аддитивности - коагулирующее действие ионов суммируется. Например, NaCl и KCl.
б) явление антагонизма - снижение коагулирующего действия одного иона в присутствии другого.
в) синергизм (явление сенсибилизации) - усиление коагулирующего действия смеси электролитов. Один ион как бы повышает (сенсибилизирует) чувствительность фазы к коагулирующему действию другого иона.

5 Коагуляция-процесс укрепления дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты. В очистке сточных вод коагуляцию применяют для ускорения процесса осаждения тонко дисперсных примесей и эмульгированных веществ. Коагуляция наиболее эффективна для удаления из воды колоидно-дисперстных частиц размером 1х100 мкм. Коагуляция может происходить самопроизвольно или под влияни ем добавленных к ним специальных веществ. При коагуляции в обрабатываемые стоки вводятся специальные реагенты, при взаимодействии которых с водой образуется новая малорастворимая высокопористая фаза, как правило, гидроксидов железа или алюминия. Происходит также соосаждение тяжелых металлов, по свойствам близких к вводимому в раствор коагулянту.Этот метод широко распространен в водоподготовке.