Исходя из анализа закономерностей, которым подчиняются процессы очистки воды, академик АН Украины Л. А. Кульский предложил классификацию примесей воды, основанную:
– на физико-химическом состоянии примесей в воде;
– на способности примесей образовывать с водой однородную (гомогенную) или неоднородную (гетерогенную) систему;
– на дисперсности примесей (размере их частиц).
Сущность классификации заключается в том, что все примеси воды по их отношению к дисперсионной среде объединены в четыре группы с общей для них физико-химической характеристикой – две гетерогенные, в которых частицы примесей не полностью смешиваются с водой, и две гомогенные, дающие с водой так называемые истинные растворы. К первым относятся вещества, присутствующие в воде в виде взвесей, коллоидов и высокомолекулярных соединений, ко вторым – вещества, находящиеся в воде в виде молекулярных и ионных растворов.
Каждому фазово-дисперсному состоянию примесей соответствуют определенные технологические приемы и методы их удаления.
В первую группу входят нерастворимые в воде примеси, величина частиц которых 10-4 см и больше, образующие в воде так называемые взвеси.
Это грубодисперсные примеси: суспензии, эмульсии, планктон, патогенные микроорганизмы.
Они попадают в водоемы в результате размывания окружающих пород и
смыва почв. В состоянии покоя они оседают, образуя осадки различной плотности. Интенсивность оседания примесей зависит от свойств системы.
Для удаления примесей этой группы используют такие физико-химические процессы, как:
– адгезия (прилипание примесей к поверхности сорбентов и зернистых инертных материалов);
– агрегация и седиментация (укрупнение частиц при помощи специальных реагентов с последующим осаждением);
– флотация (всплывание на поверхность воды в результате образования насыщенных газами сгустков).
С этой целью применяют механические способы очистки: отстаивание, микропроцеживание, фильтрование и др.
Примеси второй группы – примеси коллоидной степени дисперсности: органические и неорганические вещества, вирусы, бактерии. Размер частиц таких примесей составляет 10-5–10-6 см.
Эти примеси практически не оседают, время седиментации измеряется годами.
Эти примеси удаляются такими методами, как:
– коагуляция;
– окисление хлором, озоном, перманганатом;
– адсорбция на гидроксидах и дисперсных минералах.
Примеси третьей группы – примеси молекулярной степени дисперсности: неэлектролиты или слабые электролиты, вещества, не перешедшие в растворе в ионное состояние. Это могут быть как вещества биологического происхождения (например, гуминовые кислоты), так и вносимые со стоками промышленных предприятий и населенных пунктов (различные продукты жизнедеятельности и отмирания плесневых грибов, бактерий, водорослей, а также органические соединения, например, фенол). Размеры этих веществ 10-6 –10-7 см.
Методы удаления:
– обратный осмос, нанофильтрация;
–десорбция газов и веществ, эвапорация (очистка паром) трудно-летучих веществ;
– окисление хлором, озоном, перманганатом;
– адсорбция на активных углях и других материалах.
Примеси четвертой группы – примеси ионной степени дисперсности, образуются в результате диссоциации в воде солей, кислот, оснований. Степень их дисперсности составляет 10-7 – 10-8 см.
Техника очистки воды от примесей, входящих в четвертую группу, сводится к связыванию ионов, подлежащих удалению, в малорастворимые или слабодиссоциированные соединения. Применяют также ионообменные реакции, протекающие на поверхности твердой фазы (на ионообменных смолах). Такие процессы целесообразны в тех случаях, когда удаляемые ионы необходимо удержать на не растворимом в воде материале, заменив их безвредными ионами. Освобождение воды от ионных примесей можно осуществлять также переводом ее в твердую фазу (вымораживание, образование газгидратов), добавлением не смешивающегося с водой вещества для образования двух слоев – воды и растворителя. В последнем и скапливаются эти примеси. В некоторых случаях целесообразно применять метод электродиализа, основанный на увеличении направленной подвижности ионов в электрическом поле, благодаря чему облегчается их удаление из воды.
Эта теория вооружила исследователей и практиков, занимающихся водоподготовкой, надежными методами борьбы с различными загрязнениями водоёмов.
Также о методах см. в статье «Виды загрязнений источников водоснабжения».