CC BY
44
УДК 628.16
ИССЛЕДОВАНИЕ ИОНООБМЕННЫХ СВОЙСТВ ГИДРОКСИДА АЛЮМИНИЯ, ПОЛУЧАЕМОГО ПРИ ОБРАБОТКЕ ВОДЫ ОКСИХЛОРИДОМ АЛЮМИНИЯ
© 2008 г. И.Н. Рождов, Е.П. Силаева
При рассмотрении процесса очистки воды с помощью введенных в воду солей алюминия происходит гидролиз с образованием хлопьевидных соединений с общей формулой [Л1и(Н20)зи(0И)зи_х]х+0Их , где х ионов ОН- находятся во внешнем слое, а 3п-х ионов ОН- связаны в структуре хлопьев. У гидроксильных ионов внешнего слоя заряд компенсирован лишь частично за счет гидратной оболочки и сорбированных анионов, в целом частица приобретает заряд положительного знака. С понижением величины рН за счет нейтрализации части заряда ОН-ионов ионами водорода положительный заряд частиц хлопьев увеличивается; гидроксильные ионы из-за ослабления связи с основной матрицей повышают способность обмениваться с анионами внешней среды.
Правомерность такого подхода к процессу сорбции подтверждается позицией различных авторов. Ю.Г. Фролов [1] непосредственно относит гидроксид алюминия к синтетическим анионитам. Ю.В. Егоров [2] указывает, что при рассмотрении механизма сорбции обсуждению подлежит, в частности, способ компенсации заряда иона при сорбции, при этом важно знать, что компенсирует акт убыли из раствора заряженных частиц, в частности это может быть выход в раствор из осадка эквивалентного количества одноименно заряженных ионов.
Глинистые частицы, представляющие собой минералы со сложной пластинчатой структурой, имеют на изломе пластины незамещенные отрицательные заряды, что определяет их способность задерживаться на поверхности хлопьев гидроокиси алюминия. Подобным образом сорбируются и коллоидные частицы, имеющие в своей структуре отрицательно заряженные группы.
С позиции ионообменной сорбции удачно интерпретируются такие явления, как снижение содержания фторид-ионов на гидроксиде алюминия при пониженных рН [3], улучшение процесса очистки цветных вод также при снижении рН среды [4].
Рассматривая процесс очистки воды с этой точки зрения, следует предположить, что сорбционные свойства гидроокиси будут определяться количеством незамещенных положительно заряженных центров.
Обменная сорбция сопровождается изменением рН среды [2], там же указывается, со ссылкой на
работы В.А. Каргина, что коагуляция с помощью электролитов почти всегда сопровождается вытеснением коагулирующим ионом противоиона из двойного электрического слоя в дисперсионную среду. Об изменении величины рН при обменной сорбции сообщается в монографии Е.Д. Бабенкова [5]. Там же указывается, что коагулянты гидроокисей, полученные в среде, содержащей НСО3- и СГ-анионы, обладали по отношению к гуминовым веществам большей адсорбционной способностью (примерно в два раза), чем полученные в среде НСО3- и 8042 -анионов; автор это объясняет, в частности, более сильной конкуренцией 8042-ионов по сравнению с ионами хлора к гу-миновым веществам.
Сорбционная способность гидроокиси алюминия, получаемой при обработке воды алюминийсодержа-щими коагулянтами, определяется в значительной степени переходом в диффузный слой гидроксильных ионов, что придает конгломератам гидроокиси алюминия положительный заряд.
Наблюдаемая на практике значительная эффективность применения оксихлорида алюминия по сравнению с сульфатом алюминия при том же количестве образующейся гидроокиси дает основание заключить, что в последнем случае значительная часть положительно заряженных активных центров
занята ионами Я02-. Из практики ионного обмена известно, что двухзарядные ионы обладают значительно большей способностью к вытеснению с поверхности ионита гидроксильных ионов по сравнению с хлорид-ионами [6].
На основании вышеизложенного нами осуществлены исследования с целью установления факта замещения гидроксильных ионов на поверхности гидроокиси алюминия сульфат-ионами по ионообменному механизму.
Раствор, содержащий оксихлорид алюминия с концентрацией 60 мг/дм3 (по А12О), нейтрализовали раствором едкого натра до величины рН = 6,5, что соответствует точке минимальной растворимости А1(0Н)3. Дальнейшее титрование раствором №0Н дало возможность определить зависимость изменения величины рН от введения дозы гидроксильных ионов.
I_I_I_I_I_|_I_I_I_I_|_I_I_I_I_^_I_I_I_I_|_I_I_I_I_|_I_I_I_I_lO ,5MMOJibWa2SO^
О 0.001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 мг AI(OH)3
Рис. 1. Кривые титрования растворов, содержащих А1(ОН)3, щелочью №ОН и сульфатом натрия: о - титрование ЫаОН; • - титрование Ка2БО4
Рис. 2. Кривые титрования растворов, содержащих А1(ОН)3, щелочью ЫаОН и хлоридом натрия: о - титрование ЫаОН; • - титрование ЫаС1
В частности, в условиях опыта, изменение величины рН на 0,1 единицы соответствовало добавлению в раствор 0,03 ммоль/дм3 гидроксильных ионов. Нейтрализованный до рН = 6,56 раствор оксихлорида алюминия с той же концентрацией 60 мг/дм3 (по А12О) титровали 1 %-м раствором №28О4 (0,14 ммоль/дм3 по однозарядному иону), величина рН которого была предварительно доведена также до 6,56. При этом наблюдалось повышение рН до величины 6,92 (рис. 1), далее величина рН не изменялась. Повышение рН от 6,5 до 6,92 эквивалентно добавлению ОН-, содержащей щелочи в количестве 0,04 ммоль/дм3.
Обработка данных, приведенных на рис. 1, представлена в таблице
А-103 0,58 1,15 2,0 2,3 2,9 3,35 5,0
Г-103 0,22 0,33 0,37 0,33 0,37 0,39 0,47
С 0,048 0,096 0,167 0,192 0,242 0,279 0,417
Примечание: А - добавлено 0,5 ммоль Ка2БО4/мг А1(ОН)3; Г - вытеснено с поверхности ионов ОН- ммоль/мг А1(ОН)3; С - концентрация сульфат-ионов, 0,5 ммоль/дм3.
Аппроксимация данных функцией Ленгмюровско-
го типа Г = Г ^ ЬС дает значения Гм = 0,0005 1 + ЬС
ОН- ммоль/мг А1(ОН)3, Ь = 16 при выражении концентрации 8О42- в растворе в формуле 0,5 ммоль/дм3. Подчеркнем, что полученная зависимость справедлива для узкого диапазона значений рН в районе 6,5.
Аналогичные опыты были проведены с растворами №С1; здесь также наблюдалось вытеснение гидро-ксильных ионов с поверхности хлопьев А1(ОН)3, но в значительно меньшей степени (рис. 2).
Вышеописанные опыты осуществлялись на растворах, приготовленных на дистиллированной воде. Аналогичные опыты проводились на воде р. Дон. Присутствие в воде СО2 и НСО3- обусловили значительную буферность воды, и кривые титрования значительно более пологие.
Наличие в речной воде 1,79 ммоль/дм3 сульфатов с самого начала привело к сорбции сульфатов на гидроокиси алюминия, тем не менее титрование раствором №28О4 с величиной рН, равной рН воды с суспензией А1(ОН)3, способствовало очередному повышению рН. Сорбционная емкость А1(ОН)3 по иону 8О42- может быть оценена величиной 0,0113 ммоль/ммоль. Точно так же титрование раствором №С1 с величиной рН, равной рН титруемого раствора, вызвало повышение рН, но в значительно меньшей степени.
Выводы
Наличие в исходной воде сульфатов и сульфатов, введенных в обрабатываемую воду с коагулянтом, снижают сорбционную емкость гидроокиси алюминия. В связи с этим применение гидроксихлорида алюминия эффективнее по сравнению с сернокислым алюминием. Сорбция сульфат-ионов на гидроокиси алюминия может быть описана зависимостями ионного обмена.
Литература
1. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы: 2-е изд., перераб. и доп. М., 1988.
2. Егоров Ю.В. Статика сорбции микрокомпонентов окси-гидратами. М., 1975.
3. Кульский Л.А. Теоретические основы и технология кондиционирования воды (процессы и аппараты). Киев, 1971.
4. Клячко В.А., Апельцин И.Э. Очистка природных вод. М., 1971.
5. Бабенков Е.Д. Очистка воды коагулянтами. М., 1977.
6. Теоретические основы деминерализации пресных вод / Под ред. Б.Н. Ласкорина. М., 1975.
Южно-Российский государственный технический университет
(Новочеркасский политехнический институт) 23 января 2007 г.
