Гидролиз солей, используемых в качестве коагулянтов

В качестве коагулянтов применяют соли слабых оснований и сильных кислот, наиболее часто сульфаты или хлориды алюминия и железа. В воде эти соли гидролизуются. Образующиеся при растворении солей ионы Аl⁺³ или Fe⁺³ взаимодействуют с ионами ОН^- воды с образованием труднорастворимых гидроксидов. Процесс гидролиза протекает в несколько стадий и в общем виде может быть представлен уравнениями

В водных растворах солей существуют аквакомплексные ионы типа т. е. комплексные ионы, содержащие в качестве лигандов воду. При координации молекул воды ионами металлов диссоциация воды усиливается и протоны выталкиваются из внутренней сферы аквакомплексов, в результате чего образуются гидроксокомплексы (лиганды-группы ), а раствор становится кислым:

и т.д.

Как видно из приведенных уравнений реакций, на каждой стадии гидролиза выделяется эквивалентное количество ионов водорода. Если их не связывать в недиссоциированное соединение, процесс гидролиза останавливается. Обычно процесс гидролиза как равновесный характеризуют константой гидролиза , степенью гидролиза a и концентрацией ионов водорода или рН среды. Для первой стадии гидролиза соли, образованной одновалентными ионами

, (2.6)

среды при гидролизе определяется по формуле

, (2.7)

где – константа диссоциации основания, – ионное произведение воды; – концентрация гидролизующейся соли в растворе.

Гидролиз коагулянтов – один из важнейших процессов при коагуляции, так как полнота его протекания влияет как на качество разделения суспензии, так и на расход коагулянта. Так как концентрации коагулянта обычно не велики, а вода находится в избытке, то можно принять, что скорость гидролиза солей пропорциональна концентрации солей. Полнота гидролиза зависит от растворимости гидроксида металла. Произведение растворимости, например, гидроксидов алюминия и железа имеют следующие значения: ПР – 1,9×10^-23/ при 25 °С/, ПР – 3,3×10^-33/ при 18 °С. Соответственно растворимость гидроксидов составляет 3´10^-9 моль/л для алюминия и 2´10^-10 моль/л для железа, а вводимое количество коагулянтов находится обычно в пределах 10^-5 – 10^-4 моль/л. Такие концентрации характерны для метастабильных систем – спонтанное образование зародышей не происходит и конденсация твердой фазы возможна лишь на вносимых извне затравках.

Степень гидролиза коагулянтов зависит от рН среды и температуры. При повышении температуры степень гидролиза возрастает. Для солей алюминия при рН 3,8-4,9 гидролиз протекает по первой ступени с образованием гидрокомплексных ионов при рН 5-5,6 преимущественно образуются ионы т.е. гидролизуется по второй ступени. Осаждение гидроксида происходит в интервале рН 5-11, т.е., учитывая требования по остаточному содержанию алюминия в очищенной воде, осаждение должно проводиться при рН 7,2 - 7,7, а при температурах около10⁰ С – при рН 7 - 7,2. В щелочных средах гидроксид алюминия взаимодействует, как амфотерное соединение , с гидроксильными ионами с образованием гидроалюмината растворимого в воде. Из этого следует, что проведение коагуляции с использованием солей алюминия возможно в определенном интервале рН. Следует отметить возможность образования полиядерных комплексов, в которых может содержаться 3 -12 атомов алюминия и они могут быть растворимы. На образование таких комплексов большое влияние оказывает присутствие посторонних ионов. Очень прочные связи ионы алюминия образуют с рядом органических лигандов, что затрудняет протекание процесса коагуляции и требует увеличения количества вводимой соли.

Железо образует гидроксиды с более слабыми амфотерными свойствами, поэтому растворяться они могут при более высоких рН среды. Гидроксид железа (11) выделяется в осадок при рН более 8. В тоже время гидроксиды железа обладают корродирующим действием на аппаратуру и могут образовывать с некоторыми органическими веществами растворимые окрашенные соединения. Процесс конденсационного образования золей гидроксидов Al и Fе состоит из трех взаимосвязанных стадий: гидролиза, возникновения в пересыщенном растворе зародышей твердой фазы, роста зародышей и превращение их в частицы, образующие микрогетерогенную систему. Последняя стадия происходит путем коагуляции первичных частиц (зародышей). Частицы возникающих золей в начале имеют вид глобул с аморфным строением и лишь с течением времени приобретают кристаллическую структуру. В этом специфика коагуляции гидроксидов алюминия и железа в момент их образования при гидролизе солей, используемых в качестве коагулянтов при обесцвечивании и осветлении вод.