Вне всякого сомнения, наибольшая степень загрязнения воды обусловлена присутствием в ней различных нерастворенных примесей. Эта фракция должна быть удалена из воды, чтобы исключить широкий круг проблем, вызываемых нерастворенными примесями. К важнейшим из них относятся: засорение труб и охлаждающих систем, абразивное воздействие на насосы и измерительное оборудование и изнашивание различного другого оборудования, что серьезно отражается на текущих и эксплуатационных расходах действующих предприятий. Если же речь идет о питьевой воде и очищенных стоках, то необходимо учитывать дополнительные факторы в соответствии с официальными требованиями.
Для выделения нерастворенных примесей из воды могут быть применены различные методы, основанные на двух различных принципах:
- непосредственное использование силы тяжести путем прямой седиментации, где определяющим фактором является размер и удельная масса частиц, или путем флотации, когда пузырьки воздуха систематически вводятся в суспензию и присоединяются к частицам. Первый процесс может быть усилен с помощью центробежных сил, используемых в циклонах и центрифугах;
- фильтрование или процеживание.
Однако неподтвержденное опытом применение этих принципов может привести к осложнениям вследствие того, что размеры частиц могут изменяться в широких пределах даже для определенного типа примесей.
Сведения о материалах и организмах с указанием их средних размеров и приблизительного времени, необходимого для осаждения этих частиц в вертикальном столбе воды высотой 1 м под влиянием только силы тяжести, приведены в таблице ниже.
В 1 л воды хорошего качества могут содержаться десятки миллионов частиц мельчайших размеров. Несмотря на их количество, общая масса этих частиц может быть менее 0,1 мг.
Качество воды — понятие относительное, поэтому приемлемый и достижимый уровень остаточных загрязнений следует определять с учетом существующих требований. Кроме того, необходимо установить методы измерения двух обычно используемых критериев: концентрации взвешенных веществ и мутности воды. Последний характеризует наличие мельчайших частиц, невидимых невооруженным глазом.
Коллоидные суспензии и их устойчивость в воде.
Материал или организм |
Диаметр частиц, мм |
Время осаждения в столбе воды высотой 1 м (приблизительно) |
Гравий |
10 |
1 С |
Песок |
1 |
10 с |
Мелкий песок |
0,1 |
2 мин |
Глина |
0,01 |
2 ч |
Бактерия |
0,001 |
8 сут |
Коллоидные частицы |
0,0001 |
2 года |
Коллоидные частицы |
0,00001 |
20 лет |
Из таблице выше видно, что естественная скорость осаждения мелкой взвеси, или так называемых коллоидных частиц, очень мала, хотя в то же время именно эта взвесь составляет большую часть примесей и обусловливает мутность воды. При любом виде обработки требуется изменить условия таким образом, чтобы частицы могли коалесцировать между собой с образованием больших агломератов, которые легко удалить. Коалесценция не проходит самостоятельно, так как коллоидные соединения характеризуются наличием сил, поддерживающих взвесь в диспергированном состоянии с необычайно высокой степенью стабильности в течение длительного времени. Такая стабильность объясняется сольватацией или защитным действием определенных адсорбированных веществ, а также действием электростатических сил, которые отталкивают частицы друг от друга. В природных водах коллоиды всегда имеют отрицательный заряд. В сточных водах — это наиболее распространенный случай. В результате сольватации коллоидные частицы на поверхности оказываются частично ионизированными. В микроскоп можно наблюдать, что наложение электрического поля вызывает их движение.
Дзета-потенциал. Разность потенциалов, возникающая между неподвижной и подвижной частями слоя (в объеме жидкости), традиционно называется Z (дзета)-потенциалом или элек-трокинетическим потенциалом, отличным от термодинамического потенциала E, который представляет собой разность потенциалов между поверхностью частиц и жидкостью.
Дзета-потенциал зависит как от Е, так и от толщины двойного слоя. Его значение определяет величину электростатических сил отталкивания частиц, и следовательно, вероятность адгезии. Прибор, используемый для измерения Z-потенциала, называется дзетаметром.
Если частицы подвергнуть действию электрического поля, то практически мгновенно устанавливается такая скорость, при которой достигается равновесие между электрическими силами притяжения и силами трения, обусловленными вязкостью среды.
Между Z-потенциалом и подвижностью частиц имеет место соотношение:
Z = knц/D,
где n — динамическая вязкость, дПа•с; D — диэлектрическая постоянная среды; ц — подвижность частиц, мкс/(v•см); Z — потенциал — выражается в mV.
Фактор k зависит от относительных значений диаметра частиц и толщины двойного ионного слоя.
Частицы |
к |
Формула |
Относительно большие |
4П |
Гельмгольца |
Малые, приближенно шарообразные |
6П |
Гюккеля |
Все частицы с разным элек-трокинетическим потенциалом имеют одинаковую подвижность независимо от их радиуса.
Экспериментальные кривые для воды и осадка дают представление о распределении частиц в процентном отношении в зависимости от величины потенциала. Максимум на кривой характеризует дзета-потенциал коллоидов, содержащихся в воде или в осадке (где а — промытый уголь, б — вода от мокрой газоочистки доменной печи, в — сброженный осадок).
Качественная и надежная пожарная сигнализация.