Уровень pH является наиболее важным фактором, влияющим на эффективность коагулянтов на основе солей алюминия. Он непосредственно определяет форму, электрические свойства и механизм коагуляции солей алюминия в воде, в конечном итоге влияя на коагуляционный эффект.
Когда соли алюминия (такие как сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃ и хлорид алюминия AlCl₃) добавляются к воде, они подвергаются быстрому гидролизу, образуя ряд моноядерных и полиядерных гидроксильных комплексов, в конечном итоге образуя осадок аморфного гидроксида алюминия Al(OH)₃. Типы и пропорции этих продуктов гидролиза сильно зависят от pH.
Al³⁺ + H₂O ⇌ Al(OH)²⁺ + H⁺
Al³⁺ + 3H₂O ⇌ Al(OH)₃ (аморфный) + 3H⁺
По мере увеличения pH продукты гидролиза располагаются в следующем порядке: Al³⁺ → Al(OH)²⁺, Al(OH)₂⁺ → Al(OH)₃(тв) → Al(OH)₄⁻ (алюминат, растворимый).
Полихлорид питьевого-класса (твердый), полихлорид-наносимого распылением (PAC), хлорид полиалюминия, полимерный коагулянт
1. В диапазоне низких значений pH (обычно<5.5)
Преимущественно состоит из высоко положительно заряженных моноядерных комплексных ионов (таких как Al³⁺, Al(OH)²⁺). Эти высокоположительно заряженные ионы эффективно сжимают двойной коллоидный слой, нейтрализуя отрицательно заряженные коллоидные частицы (например, примеси в большинстве природных водоемов), что приводит к дестабилизации.
Эффект удаления мутности обычно умеренный, но он эффективен при удалении отрицательно заряженных растворенных органических веществ (например, некоторых гуминовых кислот). Образующиеся хлопья мелкие и рыхлые.
В этой области эффективность солей алюминия больше отражается на нейтрализации заряда, но концентрация остаточного алюминия может быть высокой, поскольку не может образоваться достаточное количество осадков Al(OH)₃. При pH < 4 алюминий почти полностью существует в форме Al³⁺, что приводит к плохой коагуляции.
2. Оптимальный диапазон pH (обычно 6,0–7,8).
Преимущественно выпадает в осадок электрически нейтральный аморфный гидроксид алюминия Al(OH)₃(s), одновременно образуя большое количество полиядерных гидроксильных комплексов с сетчатыми структурами (таких как Al₁₃O₄(OH)₂₄⁷⁺, т.е. кластеры Al₁₃).
Во время своего образования Al(OH)₃ действует как большая сеть, непосредственно инкапсулируя и сметая коллоиды и взвешенные вещества в воде для совместного осаждения. В то же время полиядерные полимеры заполняют промежутки между дестабилизированными частицами, образуя большие плотные хлопья. Это регион с лучшим общим эффектом по удалению мутности, цвета и множества загрязняющих веществ.
3. High pH Zone (typically >8.5)
Осадок Al(OH)₃ повторно растворяется, образуя отрицательно заряженные растворимые комплексные ионы Al(OH)₄⁻. В этот момент нейтрализация заряда не удается, и эффект подметания исчезает. Эффективность коагуляции резко ухудшается, образовавшиеся хлопья вновь растворяются (рестабилизируются), в результате чего вода снова мутнеет.
При pH > 8,5 растворимость алюминия снова возрастает. При pH > 9 алюминий практически полностью существует в форме Al(OH)₄⁻, коагуляция нарушается, и концентрация остаточного алюминия снова увеличивается, потенциально превышая 0,2 мг/л.
При использовании солей алюминия для коагуляции pH системы (особенно мгновенный pH после смешивания) необходимо довести до оптимального диапазона. Для сульфата алюминия целевой pH обычно составляет около 7,0. Гидролиз солей алюминия снижает щелочность (HCO₃⁻) в воде, высвобождая H⁺ и вызывая снижение pH. Если щелочность сырой воды недостаточна (<50 mg/L as CaCO₃), lime (CaO) or sodium carbonate (Na₂CO₃) must be added to maintain pH stability.