разделе об осаждении ионами железа и алюминия. На практике конечными продуктами осаждения фосфата кальцием всегда явля­ ются смешанные комплексы.

До стадии образования апатита происходит образование других в большей или меньшей степени аморфных и в большей или меньшей степени растворимых веществ: СаНРС>4, Са4Н(Р0 4 )з и

Са3(Р 0 4)2.

Относительно высокое содержание в сточной воде магния, поли­ фосфатов и гидрокарбоната НСО3 препятствует перекристаллиза­

ции, приводящей к образованию апатита, поэтому растворимость фосфатов определяется наличием одной из трех перечисленных форм фосфата кальция [3].

10.2.2. Коагуляция

Наши знания о коагуляции на сегодняшний день очень ограничены по сравнению с тем, что мы знаем о следующей стадии — флокуля­ ции. Объясняется это сложностью первого процесса.

При коагуляции коллоидные частицы образуют агрегаты боль­ шего размера. Частицы можно сравнивать между собой по диамет­

Коллоидные частицы довольно стабильны. Одна из причин этого состоит в следующем: благодаря малому размеру таких частиц броуновское движение молекул воды оказывает на них более сильное воздействие, чем силы гравитации. Кроме того, элек­ тростатические силы отталкивания, обусловленные поверхностным зарядом коллоидных частиц, предотвращают их коагуляцию и последующее осаждение.

Агрегация частиц в процессе коагуляции является результатом дестабилизации коллоидной системы, обычно вызываемой добавле­ нием химических веществ. Дестабилизация может осуществляться в соответствии с несколькими механизмами, зависящими от хи­ мического состава коллоидов и химических коагулянтов. Однако понимание механизма дестабилизации, по существу, является на сегодняшний день неполным.

«Связанная» вода

Свободная вода

Рис. 10.5. Схематическое представление коллоидной гидрофильной белковой частицы, окруженной «связанной» водой [4].

Далее мы обсудим три понятия, которые важны для описания процесса коагуляции не только в связи с осаждением фосфатов из сточных вод, но и для общего понимания сути коагуляции. Эти три понятия следующие:

-гидрофильность/ гидрофобность

-дзета-потенциал,

-изоэлектрическая точка (изоионное значение pH)

Гидрофильностпь/гидрофобностпь

В сточной воде содержатся гидрофильные частицы — коллоид­ ные частицы, проявляющие сильную тенденцию к связыванию или абсорбированию воды, и гидрофобные частицы —■коллоидные частицы, отталкивающие воду. Весьма приближенно это можно представить так: органические коллоидные частицы являются гидрофильными, а неорганические — гидрофобными. Причина гид­ рофильное™ органических частиц состоит в том, что на их поверхности существуют группы, способные связывать или ад­ сорбировать воду, например аминогруппы (-NH2), гидроксильные

(-ОН) и карбоксильные группы (-СООН), см. рис. 10.5. Связывание или адсорбция воды происходит в результате образования так называемых водородных связей. В итоге гидрофильные частицы оказываются окруженными водной оболочкой, которая перемеща­ ется вместе с частицей. Эту оболочку называют «связанной» водой. Гидрофобные частицы подобной оболочки не имеют.

Дзета-потенциал

Коллоидные частицы, содержащиеся в сточной воде, в основном заряжены отрицательно. Это можно проверить, поместив частицы в электрическое поле. Зная потенциал поля, скорости движения частиц, вязкость и т. д., можно определить так называемый дзетапотенциал, значение которого мы обсудим ниже.

Первичный заряд частиц обусловлен диссоциацией на их по­ верхности концевых групп, таких как уже упоминавшиеся гид­ роксильные, карбоксильные и аминогруппы, и(или) адсорбцией ионов из водной фазы. Заряд гидрофильных коллоидов чаще всего определяется диссоциацией, а заряд гидрофобных частиц — адсорбцией. Под действием первичного заряда частиц к ним притягиваются противоположно заряженные ионы (противоионы), которые накапливаются вокруг поверхности частицы, тем самым частично нейтрализуя первичный заряд и создавая двойной элек­ трический слой.

Слой ионов, непосредственно прилегающий к частице, называют фиксированным, а окружающий его слой — диффузным. Концен­ трация противоионов в диффузном слое постепенно понижается от центра к периферии и в конце концов становится равной концентрации в толще воды. Схематически эти слои изображены на рис. 10.6 .

На рис. 10.7 показано изменение потенциала частицы. Граница скольжения обозначает межфазное пространство между частью жидкости, движущейся вместе с частицей, и остальной жид­ костью. Потенциал, возникающий на этой границе, называют дзета-потенциалом. И, как было сказано ранее, именно его мы и измеряем, когда исследуем движение частиц в электрическом поле.

В гидрофобных коллоидных частицах граница скольжения близка к поверхности раздела фиксированного и диффузного слоев.

Граница скольжения гидрофильных коллоидов совпадает с внешней границей слоя «связанной» воды.

Причина, по которой дзета-потенциал является важным пара­ метром при коагуляции, заключается в том, что он дает пред­ ставление о величинах электростатических сил отталкивания, а следовательно, и об устойчивости коллоидных систем.

Однако рассчитывать на то, что условия коагуляции можно понять, основываясь лишь на данном параметре, не приходится. Условия коагуляции гораздо более сложны. В гидрофильных коллоидных системах слой «связанной» воды также оказывает

О -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50

Дзета-потенциал, мВ

Рис. 10.8. Пример распределения дзета-потенциала (а следовательно, и распределения заряда) среди частиц в сточной воде [5].

важное влияние на их стабильность. На практике наблюдается распределение значений дзета-потенциала, зависящих от состава и структуры коллоидных частиц, см. рис. 10.8 .

Изоэлектрическая точка

Поверхностный заряд частицы органического или неорганического вещества можно изменить, добавляя кислоту или основание в за­ висимости от кислотно-основных свойств поверхностных групп. На рис. 10.9 показано, как частица органического вещества с поверх­ ностными аминогруппами и карбоксильными группами меняет свой заряд при изменении pH. Значение pH, при котором суммарный заряд частицы равен нулю, называют изоэлектрической точкой (или изоионным значением pH). Величина его зависит от силы кислоты и основания, свойства которых проявляют соответственно карбоксильные и аминогруппы. Обычно изоэлектрические точки для органических частиц в сточной воде находятся в диапазоне pH от 3 до 5, т. е. при нейтральном значении pH эти частицы заряжены

отрицательно.

На значение изоэлектрической точки до некоторой степени можно влиять добавлением катионов. Например, в зависимости от состава коллоидных частиц кальций способен более или менее специфично связывать их карбоксильные группы. В результате отрицательный заряд частиц может изменяться на положительный (рис. 10.10).

Расстояние между частицами

Рис. 10.12. Взаимодействие между частицами как функция расстояния между ними [4]. Если расстояние между частицами меньше, чем а, при­ тяжение преобладает и возможно образование первичных частиц.

тростатическое отталкивание превалирует над ван-дер-ваальсовым притяжением. Баланс этих двух сил показан на рис. 10.12.

С уменьшением поверхностного заряда частиц электрическое поле ослабевает и частицы могут сближаться до такой степени, что ван-дер-ваальсовы силы начинают доминировать и происходит образование первичных частиц.

Дестабилизация коллоидных систем

Дестабилизация коллоидных систем происходит в соответствии с одним из следующих механизмов:

а.Возникновение мостиков между коллоидными частицами в результате образования органических или неорганических по­ лимеров.

б. Захват коллоидных частиц.

в.Уменьшение толщины двойного электрического слоя, приводя­ щее к ослаблению отталкивания.

Механизм а. Поскольку коллоидные частицы обычно имеют отрицательный заряд, можно было бы ожидать, что способны об­ разовывать мостики лишь положительно заряженные (катионные)