Классификация сточной воды, основанная на фазовом состоянии примесей и их дисперсности

Продолжаем изучение классификации сточных вод. Существуют также классификации сточной воды, основанные на степени загрязненности стоков и реакции водной среды. Однако более систематизированная классификация сточных вод для последующего выбора технологии их очистки основана на фазовом состоянии и дисперсности загрязнений. Важно отметить, что поведение соединений в воде определяется не только их химическими свойствами, но также их дисперсностью и фазовым состоянием в водной среде. Эти характеристики загрязнений также определяют эффективные методы удаления загрязнений из очищаемой воды. Кроме того, поскольку многие вещества способны изменять свое фазовое состояние и дисперсность под влиянием физико-химических свойств среды, таких как температура, рН и солевой состав, существует возможность регулирования процессов и методов очистки сточной воды. Форма, в которой находятся загрязнения сточной воды, также существенно влияет на процесс удаления примесей, что позволяет применять реакции, основанные на ионном или молекулярном механизмах, или приводящие к дестабилизации коллоидных систем.

Первая группа классификации по дисперсности и фазовому составу загрязняющих веществ включает нерастворимые в воде примеси с размерами частиц от 10-4 см и больше. Сюда относятся вещества, такие как глины, карбонатные породы, песок, ил, органические взвеси и другие подобные материалы.

Группа номер два состоит из коллоидных растворов, которые содержат гидрофильные и гидрофобные частицы, а также высокомолекулярные взвеси размером от 10-5 до 10-6 сантиметров. В эту категорию входят коллоидные растворы гуминовых веществ, которые имеют яркую окраску и мутность.

Третья группа включает стоки, содержащие растворенные газы и молекулярные органические соединения с размерами частиц от 10-6 до 10-7 сантиметров.

Четвертая группа состоит из ионных растворов электролитов, где размеры частиц составляют от 10-7 до 10-8 сантиметров.

Для достижения наибольшей эффективности в переработке сточной воды, возникает необходимость классифицировать ее состав и дисперсность загрязняющих частиц. Такое разделение позволяет применять наиболее соответствующие методы очистки для каждой группы загрязнений. Однако сточные воды обычно являются сложными многокомпонентными системами с различными уровнями дисперсности и фазовым составом, определяемым физико-химическими свойствами водной среды. Поэтому для определения оптимальной схемы очистки необходимо правильно оценить как качественные, так и количественные характеристики загрязняющих веществ. Для этой цели изучаются общие показатели загрязненности сточной воды, включающие физико-химические и органолептические свойства.

Органолептические показатели оценивают цветность, прозрачность (мутность, как более точный метод определения), запах и вкус сточной воды. Цветность измеряется с использованием колориметрии в градусах кобальто-хромовой шкалы, прозрачность определяется визуально (мутность — с помощью колориметрии). Физико-химические показатели включают температуру, рН-среды, сухой остаток, плотность, ХПК нефильтрованной пробы, кислотность или щелочность, вязкость, поверхностное натяжение, жесткость, электропроводность, содержание взвешенных веществ и оптическую плотность.

Кроме того, анализ грубодисперсных примесей базируется на различных характеристиках, таких как их количество (определяемое путем фильтрации пробы через «синюю ленту»), содержание зольности, гранулометрический состав (определяемый на основе времени оседания частиц) и химический состав. Для определения концентрации коллоидной и тонкодисперсной фаз загрязнений, используется фильтрация через коллодиевые фильтры, а также методы электрофореза для измерения их дзета-потенциала и методы нефелометрии для определения размеров частиц. Характеристики растворенной фазы определяются отдельно для органических и неорганических примесей. Для органических веществ производится измерение общего содержания углерода, содержания экстрагируемых веществ, ХПК (химической потребности кислорода) фильтрованной пробы, БПК (биохимической потребности кислорода) и перманганатной окисляемости. Помимо общих показателей, проводится анализ качественного и количественного состава органических веществ в пробе, их классификация и определение концентрации летучих органических соединений. Исследование растворенных неорганических веществ включает определение общего содержания азота, фосфора, серы, сухого прокаленного остатка, а также их классификацию на основе ионного состава.

Такая методика изучения сточных вод способна предоставить подробную информацию и создать возможность для разработки нескольких эффективных технологических цепочек очистки стоков. Однако, если уже имеется используемая технология очистки сточной воды и известны общие физико-химические и органолептические характеристики, то этого может быть достаточно для прогнозирования фазового состава примесей. Например, при изменении значения pH среды, температуры и концентрации примесей, происходит смещение равновесия реакций ионного обмена, гидролиза и образования комплексов, что приводит к изменению содержания растворимых, плохо растворимых и слабо диссоциирующих веществ. Снижение значения pH среды усиливает образование галогенных комплексов и снижает комплексообразование ионов металлов с органическими веществами, обладающими свойствами слабых кислот, что приводит к образованию плохо растворимых веществ, присутствующих в коллоидном растворе. При повышении значения pH происходит интенсификация гидролиза солей, содержащих многозарядные катионы, что приводит к образованию коллоидных растворов гидрооксидов и основных солей. Такое изменение pH также способствует усилению реакций образования комплексов между катионами металлов и органическими веществами, а также гидролизу солей аммония, что приводит к увеличению концентрации аммиака. В то же время, этот процесс подавляет диссоциацию органических соединений, содержащих основные функциональные группы, что приводит к их переходу в коллоидное состояние.

Пояснения этой теории классификации указывают на отсутствие выделения частиц с дисперсией от 10^-5 до 10^-4, которые представляют собой промежуточное состояние между грубодисперсными и коллоидными системами. Особенность этой фазы заключается в том, что она не выделяется с использованием гравитационного разделения, а только с применением тонкопористых фильтров и декантерных центрифуг. Затем вторую группу, включающую коллоидные растворы и тонкодисперсные суспензии, следует разделить на две соответствующие подгруппы. Кроме того, частицы, составляющие коллоидные растворы, следует разделить на две группы в зависимости от их межфазного взаимодействия — гидрофильные и гидрофобные. В коллоидных растворах, образованных гидрофильными частицами, наблюдается их сильная гидратация, они термодинамически стабильны и склонны к самодиспергированию. В гидрофобных коллоидных системах внутрифазные силы существенно превышают энергию межфазного взаимодействия, поэтому диспергирование этих веществ осуществляется под воздействием внешних факторов, через происходящие в системе процессы, и приводит к образованию нестабильной системы. К типичным гидрофобным коллоидным системам относятся гидрооксиды многозарядных металлов, а также эмульгированные частицы органических веществ. К типичным гидрофильным коллоидам относятся растворы белков и крахмала в воде.

Коллоиды, которые имеют аффинность к воде, делятся на два основных типа: ассоциативные и молекулярные. Органические соединения с полярной гидрофильной группой и неполярным гидрофобным радикалом относятся к первому типу, их еще называют поверхностно-активными веществами. При достижении определенной концентрации в водной среде, эти вещества формируют коллоидные агрегаты, известные как мицеллы. Такие коллоидные системы подчиняются динамическому равновесию между молекулами (ионами) и мицеллярными ассоциатами. Количество молекул в мицеллах может варьировать от 30 до 2000, и при достижении критической концентрации они способны поглощать малорастворимые вещества из раствора. Основное отличие мицеллярных гидрофильных коллоидных систем от гидрофобных коллоидов заключается в том, что ядро дисперсной частицы гидрофильных коллоидов представляет собой жидкую среду. Это обстоятельство определяет различные методы выделения гидрофильных и гидрофобных коллоидных частиц.

Молекулярные гидрофильные коллоиды представляют собой коллоидные системы, состоящие из синтетических высокомолекулярных веществ. Они обладают большой молекулярной массой, варьирующейся от нескольких тысяч до миллионов углеродных атомов. За счет своих размеров каждая молекула становится отдельной коллоидной частицей. Отличительной чертой таких коллоидных систем является молекулярная неоднородность, которая обусловлена взаимодействиями между молекулами и условиями окружающей среды. Макромолекулы могут принимать глобулярную форму, свернутую в клубок, или развернутую спиральную форму в зависимости от окружающих условий. Форма макромолекул определяет тип ассоциатов, образующихся в концентрированных растворах. Эти ассоциаты могут представлять пакеты связанных цепочек развернутых макромолекул или соединенные молекулярные «клубки» или глобулы. В отличие от мицелл, ассоциаты, образованные макромолекулами, имеют временный характер и не имеют постоянного состава.