1. Дисперсные системы
Природная вода представляет собой сложную дисперсную систему, содержащую разнообразные минеральные и органические примеси. В дисперсной системе мелкие частицы вещества распределяются в другом веществе (среде). Гомогенная система не имеет поверхностей раздела, которые отделяют части системы с различными свойствами друг от друга; она однофазная. Гетерогенные системы обладают сильно развитой поверхностью раздела между частями системы (фазами) и состоят из двух или более фаз. В гомогенной системе (однофазной из двух или более веществ) частицы примесей воды имеют размеры менее 10-3 мкм. В воде при размерах частиц примесей ≥ 10-3 мкм происходит образование гетерогенной (неоднородной многофазной) системы. Пример гомогенных систем - истинные растворы, в которых примеси находятся в виде ионов или молекулярно-растворенном виде. К гетерогенным системам относятся коллоиды, имеющие размер частиц 10-2 – 10-1 мкм, и суспензии (с частицами > 10-1 мкм). В свою очередь, суспензии представляют собой взвеси, эмульсии, пены (как частный случай эмульсий).
2. Системы классификации
Вода является одним из лучших растворителей. В Мировом океане изначально в той или иной степени были растворены все вещества, имеющиеся на Земле. Причем процесс растворения продолжается, так как около 19% всей гидросферы составляет количество поровых вод илов и горных пород. Уже несколько столетий происходит разработка систем классификации природных вод, а также способа как можно более кратко охарактеризовать качество воды (т.н. индекс качества воды). За это время выделили 625 и более типов, классов, групп и разновидностей вод. Ученый В.И. Вернадский насчитывал больше 1500 единиц видов природных вод. Однако излишняя детализация в классификации вод далеко уводила исследователей от желаемой ясности и краткости в определении качества воды. Предложенные универсальные индексы воды не позволяли достоверно определить пригодность воды для питьевых, технических и других целей.
Сейчас качество воды и ее пригодность для использования по-прежнему оценивается по ряду показателей. Следует отметить, что с помощью такого подхода мы получаем лишь приблизительное представление о качестве воды. Частично этим объясняется значительное (до нескольких десятков) количество существующих нормируемых показателей для каждого возможного применения воды. Является очевидным, что разговор о качестве воды целесообразно вести в привязке к конкретной области ее дальнейшего применения. В настоящее время существует несколько десятков классификационных систем, относящихся большей частью к подземным водам. Данные системы служат основой для понимания позиции авторов в вопросе происхождения подземных вод и наиболее важных их составляющих. Практически все классификации созданы гидрогеологами, отражая, естественно, их пристрастия. Эти системы, имея для водоподготовки опосредованное значение, применяются в основном в целях сравнительного анализа разных типов вод в статистических и учебных целях. Наиболее употребительные сегодня классификационные системы – системы С.А. Щукарева, Л.А. Кульского, О.А. Алёкина. Рассмотрим также системы А.И. Перельмана и фирмы Rohm & Haas («Ром и Хаас», США).
Классификация С.А. Щукарева
Принцип построения классификации Щукарева - преобладание одного или нескольких из трех главных катионов (Ca2+, Na+, Mg2+) и трех главных анионов (Cl-, SО42-, HCO3-). Здесь воду относят к тому или иному классу по содержанию упомянутых ионов в количестве, превышающем 25 процент-эквивалентов (суммы процент-эквивалентов анионов и катионов в отдельности принимают за 100). Всего – в зависимости от комбинаций типов вод по содержанию катионов - получается 49 классов вод. Пример: вода сульфатныя магниево-кальциевая или хлоридно-гидрокарбонатная натриевая. Каждый класс разделяется на группы по общей минерализации: А – менее 1,5 г/л; В – от 1,5 до 10 г/л; С – от 10 до 40 г/л; D – более 40 г/л. Данная классификация отличается простотой, с ее помощью удобно сопоставлять различные по химическому составу воды, однако она громоздка (в ней - 49 классов и 4 группы). Из-за формального характера деления на классы часть классов – нереалистична.
Классификация Л.А. Кульского
Фазово-дисперсная классификация примесей воды, созданная Л.А. Кульским, представляет практический интерес. Для задач очистки воды эта классификация ценна возможностью предварительного выбора комплекса методов и стадий очистки воды в зависимости от фазово-дисперсного состояния примесей в воде и принадлежности к определенной классификационной группе. При этом определение фазово-дисперсного состояния примесей производится после каждой стадии обработки воды и учитывается при проектировании окончательной схемы водоподготовки. Л.А. Кульский, основываясь на фазово-дисперсном анализе примесей воды, определил методы обработки воды (см. ниже); А. Аширов дополнил предложения Кульского (V и VI группы). Часть из перечисленных методов применяют в определенных промышленных системах водоочистки и не применяют в энергетическом и коммунальном водоснабжении.
Группа I. Методы воздействия на взвеси (седиментация, осадительное центрифугирование, осветление во взвешенном слое, центробежная сепарация в гидроциклонах, фильтрование на медленных фильтрах, фильтрование на скорых фильтрах по безнапорной схеме, флотация и др.).
Группа II. Методы воздействия на коллоидные примеси, в том числе на высокомолекулярные соединения и вирусы: флокуляция, коагуляция, электроискровой (разрядный) метод, электрокоагуляция, биохимический распад, окисление (хлорирование, озонирование), адсорбция на высокодисперсных материалах, в том числе глинистых минералах, ионитах, обработка ионами тяжелых металлов (меди, серебра и др.), воздействие ультрафиолетовым γ- и β-излучением, потоками нейтронов и др., ультразвуковая обработка.
Группа III. Методы воздействия на растворенные органические вещества и газы: окисление (электрохимическое, жидкофазное, парофазное, радиационное, биологическое, озоном, хлором, диоксидом хлора и др.), десорбция газов и легколетучих органических соединений путем аэрирования, вакуумной и термической отгонки, пенная флотация, адсорбция на активных углях, природных и синтетических ионитах и других высокопористых материалах, эвапорация (азеотропная отгонка, пароциркуляция), экстракция не смешивающимися с водой органическими растворителями, ректификация.
Группа IV. Методы воздействия на примеси ионогенных неорганических веществ: электродиализ, ионный обмен, кристаллизация, реагентная обработка.
Группа V. Методы воздействия на воду: вымораживание, дистилляция, экстракция кристаллогидратами или смешивающимися с водой органическими растворителями, обратный осмос, магнитная обработка, напорная фильтрация.
Группа VI. Методы воздействия на водную систему в целом: закачка в подземные горизонты, в глубины морей, сжигание, захоронение. Применение этих методов целесообразно только в случае экономической неприемлемости методов первых пяти групп.
Классификация фирмы Rohm & Haas («Ром и Хаас»), США
Классификация вод в соответствии с материалами фирмы Rohm & Haas аналогична классификации Кульского и имеет дополнительные полезные сведения.
Классификация О.А. Алёкина
В классификации О.А. Алёкина (с поправкой Е.В. Посохова и Ж.С. Сыдыкова) сочетаются принципы деления вод по преобладающим ионам и по соотношению между ними. Произведено деление всех вод на три класса по преобладающему аниону: гидрокарбонатные (карбонатные), хлоридные и сульфатные. Каждый класс подразделяется на три группы по преобладанию одного из катионов: кальций, магний, натрий (или натрий + калий).
Классификация А.И. Перельмана
Классификация А.И. Перельмана представляет определенный интерес выделением шести главных таксонов, при этом каждый таксон определяется на основе особого критерия:
группа – температура;
тип – окислительно-восстановительные условия;
класс – щелочно-кислотные условия;
семейство – общая минерализация;
род – растворенное органическое вещество;
вид – ведущие катионы и анионы (кроме Н+ и ОН-).
Эта классификация отличается от многих других (в том числе от вышеописанных классификаций Щукарева и Алёкина) учетом температуры, органических веществ, газов. Идея А.И. Перельмана - изображение воды шестизначным числом (по количеству таксонов и разновидностей, которых в каждом таксоне содержится не более девяти).
