Классификация примесей воды

(Кульского – это как наша таблица Менделеева, в западной литературе фамилии в названии не упоминают, но можно сделать акцент, что разработали наши)

Практический интерес представляет предложенная русским советским ученым Л.Кульским классификация примесей воды на основе их физико-химических характеристик [ссылка на Кульского]. Сущность предлагаемой классификации заключается в том, что все примеси воды по отношению к дисперсионной среде (воде) разделены на 4 группы, две из которых представляют собой гетерогенные системы и две другие – гомогенные. Первые образуются присутствующими в воде взвесями и коллоидами, вторые – веществами, дающими с водой молекулярные и ионные растворы [Кульский Л.А., Булава М.Н., Гороновский И.Т., Смирнов П.И. Проектирование и расчет очистных сооружений водопроводов, Киев, «Будiвельiник», 1972, с.424, с.16-21].

Такой порядок расположения групп и систем с повышающейся дисперсностью примесей целесообразен с технологической точки зрения, так как очистка воды начинается с удаления грубодисперсных примесей и коллоидно-дисперсных веществ. Методы удаления этих загрязнений являются наиболее общими, они широко применяются на всех очистных сооружениях промышленных и коммунальных водопроводов и цехов очистки промстоков.

Процессы, корректирующие содержание молекулярных и ионных примесей, относятся к специальным системам обработки воды и используются в необходимых случаях в качестве дополнительных к основному технологическому комплексу, обеспечивающему удаление гетерогенных примесей.

Содержащиеся в воде примеси классифицируются по фазово-дисперсному состоянию в следующие 4 группы:

Группа I – Взвеси (размер частиц 10^-5 – 10^-4 см и более)

Эти взвеси обусловливают мутность воды, а в некоторых случаях ее цветность. В состав группы входят частицы глины, песка, малорастворимые гидроксидные осадки Fe, Mg, Al, Si, Ca и других элементов, взвеси органических веществ, детрит, планктон и т.д. Во взвешенных частицах возможно присутствие болезнетворных бактерий, споровых микроорганизмов и вирусов. При движении жидкости эти вещества находятся во взвешенном состоянии, при медленном движении они оседают. Для очистки воды от этой группы примесей применяют физико-химические процессы: адгезию на поверхности сорбентов и зернистых загрузок в фильтрах, агрегацию при помощи коагулянтов и флокулянтов, флотацию. Также применяют механические способы – отстаивание, микропроцеживание, центрифугирование.

Группа II– Коллоидно-растворенные примеси (размер частиц 10^-5 – 10^-6 см)

К этой группе веществ относятся:

- коллоидные минеральные и органо-минеральные частицы почв и грунтов так называемый «тонкий ил»,

- природные гуминовые и фульвокислоты и их соли, нерастворимые высокомолекулярные соединения, придающие воде окраску;

Эти соединения являются агрегативно устойчивыми. В состоянии покоя практически не осаждаются и образуют гетерофазную систему. Основные методы очистки: (тонкая) микрофильтрация, коагуляция, сорбция, мембранная фильтрация. Кроме этого, обработка воды различными окислителями (хлором, озоном) улучшает ее качество, так как при этом окисляются вещества, придающие цветность воде, гибнут микроорганизмы, разрушаются гидрофильные коллоиды, тем самым создаются благоприятные условия для последующего коагулирования, ускоряется процесс образования и осаждения хлопьев коагулянта. Значительное повышение эффекта коагуляции достигается введением флокулянтов различного состава. Тип флокулянта (катионный, анионный, неионогенный) определяется исходя из заряда коллоидных примесей в воде.

Группа III – молекулярно растворенные примеси (размер частиц 10^-7 – 10^-6 см)

К этой категории относятся растворенные в воде газы и растворимые органические соединения природного и искусственного (вносимые с промышленными стоками) происхождения. Такие соединения придают воде привкусы и запахи, иногда окраску. Важно отметить, что в эту группу входят металлы, образующие комплексные соединения, в том числе тяжелые металлы: Fe, Al, Mg, Cu, Zn, Ni, Co.

Наиболее эффективными методами удаления из воды веществ третьей группы являются коагуляция, сорбция, мембранная фильтрация, окисление, дистилляция, озонирование и т.д. Необходимо учесть, что данные методы эффективны только после удаления более крупных примесей (I и II группы)

Группа IV – истинно растворенные неорганические соли, способные к диссоциации на ионы (размер частиц 10^-7 – 10^-8 см)

Примеси: электролиты. Количественными характеристиками равновесного состояния являются степень и константа диссоциации. Электролиты, степень диссоциации которых в 0,1Н-растворах составляет 30% и более, называются сильными, а электролиты со степенью диссоциации менее 3% - слабыми (к ним относятся все растворенные в природной воде соли).

Техника очистки воды от примесей этой группы заключается в связывании ионов, которые необходимо удалить, в малорастворимые и слабодиссоциированные соединения. Для этой цели применяют следующие методы: термические (выпаривание, вымораживание), ионные обмен, электродиализ, мембранные методы – нанофильтрация, обратный осмос.

Следует отметить, что между состояниями веществ, четко определяющими их положение в каждой из перечисленных выше групп, существуют еще и промежуточные состояния, обусловленные динамической связью между описанными системами. Так, например, молекулярные растворы могут быть частично диссоциированными (слабые электролиты), а при ассоциации частиц они приближаются к коллоидными растворам. Промежуточное место между коллоидными и молекулярными растворами занимают и высокомолекулярные соединения, они также могут содержать ионогенные группы, способные (при определенных условиях) продуцировать в раствор подвижные ионы. Неустойчивость подобных систем придает разработанной классификации особую гибкость, так как позволяет с помощью физико-химических процессов переводить, в меру необходимости, загрязняющие воду вещества из одного фазово-дисперсного состояния в другое.

Рассмотрев в отдельности все четыре группы, можно сделать вывод, что предлагаемая классификация полностью включает все примеси, загрязняющие воду. Используя особенности каждой группы, можно находить эффективные способы удаления всего комплекса примесей воды при помощи небольшого количества соответствующим образом скомпонованных элементов очистных сооружений.

Conclusion

The main purpose of using this classification is to determine methods how to dispose each type of contaminant and treat the water containing impurities.

Some methods are presented in the picture and mentioned above, but let’s fix them one more time. Besides, one can determine the place for membrane processes application. The easiest way to correlate is using the prefix in titles: micro-, ultra-, and nanofiltration. Apart of reverse osmosis and dialysis, which do not have “size-look” prefixes, other methods can be correlate as following:

Using microfiltration one can dispose impurities of II and III (partially) groups, the treatment effect is XX% []. Ultra- and nanofiltration blocks may treat the water containing impurities of group III (ultrafiltration), nanofiltration – group III and IV. Treatment effects are XX% and XX% for ultrafiltration and nanofiltration respectively. The most effective methods providing so-called “deep purification” of water are reverse osmosis and electrodialysis. One can see in the slide the graphic illustration. Here we have the scale with size of contaminant particles and pore sizes of membrane. The smaller the pore size, the more particles are cut off and can be disposed. So we can provide the purification rate/efficiency demanded.

Table 2 Classification of membrane separation processes for liquid systems

Part 1 Glossary