Физическая и физико-химическая очистка воды

Современный мир каждый день борется с ухудшением экологической обстановки и сокращением запасов пресной воды путем изобретения новых способов регенерации ресурсов. Технология водоподготовки определяет качество воды. Физико-химические показатели воды природных источников редко удовлетворяют требованиям хозяйственно-бытового назначения и совсем не подходят для технологических процессов на производствах.

Основы водоподготовки

Для приведения природной воды к заданным параметрам применяют разные методы для очистки воды. Центральное место среди них принадлежит физико-химической очистке воды. С ее помощью комплексно удаляют взвешенные примеси, химические вещества, патогенные микроорганизмы, растворенные газы из пресной воды, чтобы привести ее к параметрам пригодности для питья, определённым в ГОСТ. Основными загрязнениями в воде колодцев, скважин и водопроводной, удаляемые с помощью физико-химических методов очистки вод являются соли жесткости, сероводород, повышенное содержание соединений железа, механические включения. Каждая производственная отрасль предъявляет свои требования к водоподготовке, исходя из утвержденных регламентов техпроцессов и условий эксплуатации оборудования.

Технологическая схема водоподготовки сочетает в себе поэтапное применение биологических, химических и физико-химических методов очистки вод в зависимости от состава исходного водного раствора и конечных требований отрасли потребления:

• осветление, фильтрация, процеживание через зернистые загрузки предварительной очистки;
• отстаивание, коагуляция и флотация;
• аэрация в открытой емкости или под напором;
• дозированное реагентное воздействие;
• угольная адсорбция;
• обратный осмос, аппараты ультрафильтрации;
• деминерализация и умягчение воды ионообменным методом;
• электрокоагуляция, электрофлотация, электродиализ;
• УФ-обеззараживание и озонирование.

Какие методы очистки воды применяют

Существует огромное разнообразие систем очистки и фильтров смешанного действия. Но все процессы очищения в зависимости от метода воздействия и природы процессов делят на основные четыре типа:

1. Химические методы удаления загрязнений направленным воздействием реагентов.
2. Физические процессы очистки воды механической фильтрацией грубодисперсных частиц.
3. Физико-химические способы водоподготовки.
4. Биологическое воздействие на примеси.

Химический способ основан на переводе растворимых форм загрязняющих веществ в нерастворимые и легко удаляемые соединения. В водный раствор дозированно вводят реагенты, избирательно вступающие в реакцию с нужным загрязнителем. Осадок и нерастворимые комплексы отфильтровывают на установках фильтрации. Системы подбирают исходя из природы образующихся нерастворимых комплексов.

Физический способ очистки воды обычно применяют на предварительном этапе водоподготовки. Он помогает избавить водный раствор от крупных примесей и включений, способных помешать извлечению остальных загрязнителей или вывести из строя оборудование для водоочистки.

Самым многочисленным набором вариантов воздействия на воду с целью устранения загрязнителей располагает физико-химическая очистка воды. Она включает в себя комбинированное воздействие на загрязняющие соединения с помощью физических и химических процессов. Такие методы применимы и на ранних этапах водоподготовки, и на завершающих стадиях полной очистки воды.

Что относят к физической очистке воды

Физические явления с успехом применяют при предварительной очистке воды во всех сферах водоподготовки. Они способны избавить огромные объемы воды от крупных включений, тем самым облегчая последующую обработку и сохраняя работоспособность оборудования. Тонкое глубокое воздействие редко проводится с помощью физических методов очистки воды ввиду энергозатратности и малопроизводительности способа. Основными методами физической обработки можно назвать:

• кипячение;
• процеживание;
• отстаивание;
• фильтрацию;
• УФ-обработку.

Кипячение один из простейших способов удаления карбонатной или временной жесткости. При достижении температуры кипения растворимые гидрокарбонаты кальция и магния распадаются на нерастворимые карбонаты, воду и углекислый газ. Осадок CaCO₃ и MgCO₃ мы наблюдаем в виде белой накипи на нагревательных элементах бытовых приборов. Если кипятить воду в течение 50 минут, от временной жесткости можно избавиться практически на 100%. Кроме того, при нагревании воды выше 100°С в течение определенного времени погибает большая часть патогенных бактерий, некоторые органические комплексы распадаются на простейшие составляющие, которые легче поддаются коагулированию и дальнейшей фильтрации.

Процеживание - это процесс очистки воды от крупных загрязнителей, не способных пройти через отверстия сита, решетки или полипропиленовой мешковины. Это эффективный метод для удаления из водного раствора крупного мусора, который может стать причиной поломки оборудования тонкой очистки. Процеживание пропускает все растворенные примеси и микроорганизмы, потому может использоваться только как предварительный метод физико-механической очистки воды.

Отстаивание основано на действующей силе гравитации, когда тяжелые частицы примесей оседают на дно емкости под действием силы тяжести, а очищенные верхние слои воды собираются для дальнейшей обработки. Этот метод применяют и на подготовительных этапах и как промежуточную стадию в комплексной схеме водоподготовки.

Фильтрование является усовершенствованным процеживанием, когда размер проходимых через фильтрующий состав фракций может быть уменьшен до микрон. Это позволяет задерживать механические включения, песок, окалину, накипь, ржавчину и другие загрязнения. Фильтрование успешно применяется в домашних фильтрах и в сложных производственных процессах как эффективный метод физической очистки воды. На его основе проводят первичную и глубокую очистку на любой стадии водоподготовительных мероприятий.

Обеззараживание ультрафиолетом не является как таковым самостоятельным физическим методом очистки воды. С помощью воздействия УФ-волн средней длины от 200 до 400 нм в стерилизаторах происходит разрушение молекул ДНК микроорганизмов и патогенных бактерий. Состав воды остается неизменным после воздействия такого излучения, что является преимуществом. УФ-обеззараживание проводят в основном на завершающем этапе водоочистки.

Физико-химические методы очистки воды

Эта группа способов предполагает комплексное воздействие физическими и химическими методами на загрязняющие соединения в воде. Технологические процессы физико-химической очистки воды применяют на всех этапах водоподготовки для удаления как крупнодисперсных примесей и взвешенных веществ, так и растворенных органических и неорганических соединений, газов. Остановимся подробнее на основных способах физико-химической очистки.

Метод флотации или "плавания на поверхности" основан на процессе избирательного смачивания. Через водный раствор пропускают мелко диспергированный воздух, вокруг пузырьков которого вследствие молекулярных сил притяжения агрегируются взвешенные частицы загрязнителей. Воздух поднимается на поверхность, образуя пенный слой с высокой концентрацией извлекаемых примесей. Для улучшения адсорбции частиц могут вводиться реагенты, повышающие полярность загрязнений. Дополнительное пропускание электрического тока через раствор запускает механизмы электрофлотации и электрокоагуляции, повышающие эффективность флотационного процесса извлечения примесей.

Эффективным физико-химическим способом очистки воды является сорбция. Чаще в водоподготовке применяют адсорбцию - поглощение загрязнителей в поверхностных слоях воды. Адсорбция может быть химической, если удаляемое вещество образует химические связи с материалом адсорбента, и физической, когда действие основано на межмолекулярных силах притяжения. Этот способ дает хороший результат на финальных стадиях обработки виды и надежно убирает из водного раствора фенолы, ПАВ, пестициды даже при их малых концентрациях. Адсорбирующим материалом может быть активированный уголь, силикагели, цеолиты. Они могут быть регенерируемыми или одноразового применения. Пористая структура увеличивает площадь соприкосновения и увеличивает производительность метода. Технологически процесс может осуществляться смешением очищаемого водного раствора с адсорбентом или фильтрованием через его пористый слой.

Экстракцией извлекают примеси из водного раствора за счет разницы в растворимости в разных средах. Метод основан на перемешивании двух несмешивающихся фаз воды и органического растворителя. Загрязнители мигрируют в экстрагент, после разделения жидкостей получаем очищенную воду. Экстрагирующий раствор в зависимости от своей природы может быть восстановлен для последующих экстракций или утилизирован.

Физико-химический метод ионообмена направлен главным образом на смягчение воды путем замены ионов жесткости на катионы и анионы ионообменной смолы. Ионообменные материалы могут быть природного происхождения или синтетические и содержат много функциональных групп, участвующих в обмене. Метод водоочистки ионным обменом используется и в оборотном водоснабжении на производствах, и в бытовом применении после предварительной очистки от крупных примесей и сильных загрязнений. Ионообменные смолы - восстанавливаемый материал. Их регенерируют раствором с высокой концентрацией OH^- и Н⁺.

Интересный метод физико-химической очистки воды, сочетающий в себе процесс фильтрации на ионоселективных мембранах с направленным влиянием электрического поля, - электродиализ. В электродиализаторах, состоящих из набора камер, размещают поочередно ионоселективные мембраны, способные пропускать частицы только одного заряда. На выходе установлены электроды. При подключении электротока частицы устремляются к противоположно заряженному электроду, но встречаясь с одноименно заряженной мембраной, задерживаются. В результате в одной части камер ионы уходят из раствора, а в другой концентрируются. Направив потоки в разные емкости, получаем чистую воду и насыщенный раствор выделяемых веществ. Важно, что такой раствор в дальнейшем идет на вторичную переработку, что экономически выгодно.

Популярен и эффективен способ физико-химической очистки воды в аппаратах обратного осмоса. Здесь применяют гидростатическое давление, приложенное к раствору, выше осмотического, когда растворитель - вода - начинает переходить из водного раствора через полупроницаемую мембрану, а растворенные вещества задерживаются на ней. Этот метод востребован во всех схемах водоподготовки на предприятиях и в фильтрах домашнего использования, так как позволяет убрать максимально возможное количество растворенных и коллоидных загрязнений, вирусы и бактерии, газы. Эффективность мембранной очистки достигает 99,5%.

Термические методы водоподготовки позволяют концентрировать примеси выпариванием или вымораживанием, т.е. температурным воздействием. При выпаривании чистый дистиллят собирается в отдельную емкость, а при вымораживании в первую очередь кристаллизуется чистая вода, и такие кристаллы отделяют пока остальной раствор еще не замерз.

Оборудование для физико-химической очистки воды

При всем многообразии физико-химических методов очистки, каждый конкретный случай требует оценки и подбора собственной схемы и комбинации способов. На выбор фильтров и установок влияет первоначальный состав воды и ее конечное назначение. Мы готовы провести комплексную оценку воды и подобрать для вашего производства или домашнего использования необходимое оборудование с комбинацией физико-химических методов очистки. Широкий спектр действия обратноосмотических установок, ионоселективных мембран и сорбционных фильтров, электродиализаторов и УФ-обеззараживающих блоков помогут получить очищенную воду необходимого вам качества.