Глава III Расчет устройств для приготовления и дозирования раствора реагентов

§ 10. Общие сведения о реагентах

Для ускорения выпадения взвеси применяется коагулирование, осуществляемое путем добавки в обрабатываемую воду химиче­ских реагентов (коагулянтов), образующих хлопья, которые, осе­дая, увлекают за собой взвесь.

В качестве коагулянта обычно используют: сернокислый алю­миний A1₂(SO₄)₃, сернокислое железо Fe₂(SO₄)₃, железный купо­рос FeSO₄∙7Н₂O или хлорное железо FeCl₃.

Действие сернокислого алюминия основывается на его гидроли­зе, заканчивающемся образованием геля гидроокиси алюминия [А1₂(ОН)₃] и свободной углекислоты. При коагулировании серно­кислым железом диссоциация солей железа приводит к образова­нию малорастворимой гидроокиси железа Fe(OH)₃.

После введения в воду сернокислого алюминия происходят сле­дующие реакции:

Образующаяся гидроокись алюминия Аl(ОН)₃ представляет со­бой коллоидное вещество, частицы которого имеют положительные заряды. Между тем коллоиды, содержащиеся в природной воде (гуминовые вещества, кремниевая кислота и др.), заряжены отри­цательно. Это ведет к нейтрализации зарядов частиц обоих кол­лоидов, вызывающей их взаимную коагуляцию с образованием хлопьев. Аналогичное явление происходит и в случае применения FeSO₄. Образующийся .коллоидный раствор гидроокиси железя Fe(ОН)з коагулирует содержащиеся в воде отрицательно заря­женные коллоиды.

32

Ионы водорода, выделившиеся после гидролиза сернокислого алюминия, связываются с находящимися в природной воде бикар­бонатными ионами

Благодаря этому кроме осветления воды достигается пониже­ние ее карбонатной жесткости на 0,7—1 мг∙экв/л с одновременным таким же повышением некарбонатной жесткости воды согласно реакциям:

При излишней щелочности переход гидроокиси в водную окись может задержаться. При недостаточной же щелочности реакция образования гидроокиси из сернокислого алюминия протекать не может. В этом случае нужно искусственно подщелачивать воду гашеной известью Са(ОН)₂, едким натром NaOH или кальцини­рованной содой Na₂CO₃, добавляемыми в количестве:

(3)

где Д_щ — количество щелочи, добавляемой для подщелачивания воды, в мг/л;

е — эквивалентный вес коагулянта (безводного) в мг∙экв/л, равный для A1₂(SO₄)3 57, FeCl₃ 54, Fe₂(S0₄)₃ 67;

Д_к — максимальная доза 'безводного сернокислого алюминия в мг/л;

Щ — минимальная щелочность воды в мг∙экв/л (для природ­ных вод обычно равная карбонатной жесткости);

К — количество щелочи в мг/л, необходимое для подщелачи­вания воды на 1 мг∙экв/л и равное для извести 28 мг/л, для едкого натра 30—40 мг/л, для соды 53 мг/л.

Пример. Определить необходимые дозы реагента для подщела­чивания воды при ее мутности 700 мг/л и щелочности Щ=1,7 мг/л. Максимальная доза безводного сернокислого алюминия Дк=75 мг/л.

Необходимые дозы реагента для подщелачивания воды со­ставят:

гашеной извести

33

кальцинированной соды

В тех случаях, когда значения Д_и и Д_с (получаются с отрица­тельным знаком, подщелачивания воды не требуется. Обычно это наблюдается при небольшой мутности и достаточно высокой ще­лочности (карбонатной жесткости) воды.

Пример. Определить необходимую дозу гашеной извести для подщелачивания воды при ее мутности 200 мг/л, щелочности Щ=2 мг/л и величине Д_к=40 мг/л.

Тогда

т. е. подщелачивания воды не требуется.

Ход реакций при подщелачивании следующий:

или

Скорость гидролиза коагулянта зависит от температуры воды (резко уменьшается при низкой температуре) и от величины рН. При повышенном значении рН (более 8,2) частицы А1(ОН)₃ полу­чают отрицательный заряд, хлопья гидроокиси алюминия не об­разуются и процесс осветления воды замедляется.

Коагулирующая способность реагента возрастает с повышени­ем валентности иона электролита. Исследования показали, что если коагулирующую способность одновалентного иона принять за единицу, то коагулирующая способность двухвалентного иона до­стигает 7, а трехвалентного — 76.

В отечественной практике водоснабжения чаще всего применя­ются соли трехвалентного алюминия в виде очищенного сернокис­лого алюминия, содержащею около 45% безводного Al₂(SO₄)₃, a также и неочищенного «сернокислого алюминия, содержащего 33% безводного A1₂(SO₄)₃. Следовательно, теоретически 1 кг неочищен­ного коагулянта по своей коагулирующей способности эквивален­тен 0,73 кг очищенного. Практически коагулирующая способность неочищешюго сернокислого алюминия несколько выше за счет мелкозернистых нерастворимых примесей в неочищенном продук­те, усиливающих коагуляцию.

В качестве коагулянта применяют также соли трехвалентного Fe₂(SO₄)₃ и двухвалентного железа FeSO₄.

Вступая в реакцию с двууглекислыми солями кальция (или магния), железный купорос FeSO₄ превращается в двууглекислое железо по уравнению

34

Для ускорения процесса необходима добавка гашеной извести, отнимающей углекислоту,

Гидрат закиси железа окисляется при рН>8 за счет растворен­ного в воде кислорода

а получившийся гидрат окиси железа выпадает ,в виде хлопьев, ув­лекая взвесь, содержащуюся в обрабатываемой воде.

При коагулировании солями железа величина рН воды после ввода коагулянта должна быть не менее 8,2—8,5, так как в этом случае высокое значение рН не задерживает коагуляцию, а способ­ствует ей.

Если коагуляция производится при содержании в воде взвеси более 100—125 мг/л, можно окислить FeSO₄ и перевести его в трехвалентное железо Fe₂(SO₄)₃ путем хлорирования раствора же­лезного купороса:

Хлопья гидрата окиси железа тяжелее хлопьев гидроокиси алю­миния в 1,5 раза и, следовательно, скорее осаждаются. Они более устойчивы и не разрушаются в щелочной среде, что имеет значение при объединении в общей установке процессов коагуляции и умяг­чения воды. Температура воды не оказывает существенного влия­ния на скорость процесса коагуляции солями железа. В силу этого доли железа нашли широкое применение в качестве коагулянтов, особенно на водоумягчительных установках.

Хлорное железо FeCl₃ доставляется на станции очистки воды в стальных бочках; содержание FeCl₃ в товарном продукте составля­ет не менее 98 %.

В табл. 14 приведена краткая характеристика свойств и назна­чения различных реагентов.

Необходимые дозы коагулянта должны назначаться в соответ­ствии с данными технологического анализа воды (по ГОСТ 2919— 45). Действующие нормы предлагают принимать дозу безводного сернокислого алюминия или хлорного железа в зависимости от содержания в воде взвешенных веществ (табл. 15).

Для ориентировочного определения дозы безводного сернокис­лого алюминия в зависимости от мутности исходной воды рекомен­дуется также пользоваться графиком, приведенным на рис. 3.

При обработке вод, имеющих высокую цветность, производится проверка достаточности дозы коагулянта для обесцвечивания воды по формуле

(4)

35

Таблица 14