1. Классификация примесей природных и сточных вод по фазово-дисперсному состоянию (классификация Кульского).
Загрязнение – это привнесение в среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных для нее физических, химических или биологических агентов или превышение естественного уровня концентрации перечисленных агентов в среде, увеличение сверх нормы числа агентов. Оно может возникнуть в результате естественных причин или под влияние человеческой деятельности (антропогенное).
В соответствии с классификацией Кульского, сначала производится очистка воды от примесей первой группы, затем – второй, и только после этого – третьей и четвертой.
Для задач, связанных с очисткой воды, эта классификация полезна тем, что, определив фазоводисперсное состояние примесей в воде и установив ее принадлежность к какой-то группе, можно предварительно выбрать комплекс методов и стадий очистки воды. При этом фазово-дисперсное состояние примесей должно устанавливаться после каждой стадии обработки воды и учитываться при проектировании всей схемы водоподготовки.
* (предложения Кульского дополнены А. Ашировым – V и VI группы). Группа V. Воздействие на воду: дистилляция, вымораживание, экстракция кристаллогидратами или смешивающимися с водой органическими растворителями, магнитная обработка, обратный осмос, напорная фильтрация. Группа VI. Воздействие на водную систему в целом: закачка в подземные горизонты, в глубины морей, захоронение, сжигание. Эти методы применяются только в том случае, если методы первых пяти групп экономически неприемлемы. |
Группа I. Воздействие на взвеси (например, седиментация, осветление во взвешенном слое, осадительное центрифугирование, центробежная сепарация в гидроциклонах, флотация, фильтрование на медленных фильтрах и на скорых фильтрах по безнапорной схеме и др.). Группа II. Воздействие на коллоидные примеси, в том числе высокомолекулярные соединения и вирусы: коагуляция, флокуляция, электрокоагуляция, электроискровой (разрядный) метод, биохимический распад, адсорбция на высокодисперсных материалах, в том числе глинистых минералах, ионитах, окисление (хлорирование, озонирование), воздействие ультрафиолетовым, γ- и β-излучением, потоками нейтронов и др., ультразвуковая обработка, обработка ионами тяжелых металлов (меди, серебра и др.). Группа III. Воздействие на растворенные органические вещества и газы: десорбция газов и легколетучих органических соединений путем аэрирования, термической и вакуумной отгонки, адсорбция на активных углях, природных и синтетических ионитах и других высокопористых материалах, экстракция не смешивающимися с водой органическими растворителями, эвапорация (азеотропная отгонка, пароциркуляция), пенная флотация, ректификация, окисление (жидкофазное, радиационное, электрохимическое, биологическое, парофазное, хлором, озоном, диоксидом хлора и др.). |
2. Физико-химические процессы, происходящие с нефтяной пленкой, попавшей на поверхность воды.
При разливе нефти (или нефтепродуктов) в результате аварии на поверхности воды образуется нефтяная пленка, с которой могут происходить различные процессы, представленные на рис.1
Рис.1 Распространение пленки нефти (нефтепродуктов)
1. Испарение
Скорость испарения зависит от скорости ветра, от площади поверхности, парциального давления паров нефтепродуктов в воздухе, от молекулярной массы нефтепродуктов. Например, при начальном объеме нефтяного пятна в 1000 м3, площадью 2*104 м2 и при скорости ветра (на высоте 10м), равной 7 м/с, наибольшая часть нефти испаряется в первые 30 минут, при этом скорость испарения составляет ~ 7м3/мин. Далее скорость падает и через 2-2,5 часа процесс практически прекращается. К этому моменту может испариться до 30% начального объема легкой нефти. Если пятно образовано бензином (наиболее легким нефтепродуктом (С6 – С11), то в первые 10 минут скорость испарения составляет ~60м3/мин, затем падает до 15м3/мин. В течение 35-40 минут практически весь бензин испаряется.
2. Растворимость нефти и нефтепродуктов
Хотя растворимость нефти и нефтепродуктов в воде считается очень низкой, отдельные компоненты заметно растворимы. Так высоколетучие углеводороды растворяются в воде в количестве 40-60 мг/л, а тяжелые – 0,66 мг/л. Самая высокая растворимость у ненасыщенных углеводородов (у бензола – 1750 мг/л).
Ниже приведены примеры значений растворимости ряда нефтепродуктов:
бензины – 28-129 мг/л;
топливо на основе керосиновых фракций – 3-10 мг/л;
дизельное топливо – 17 мг/л;
циклогексан – 60 мг/л;
н-гексан – 138 мг/л;
толуол – 511 мг/л.
Процесс растворения нефти в воде может продолжаться от одной до трех недель.
3. Диспергирование нефти (нефтепродуктов)
Диспергирование в значительной мере определяет наличие нефти в толще воды, следовательно, опасность воздействия нефти на морскую биоту.
Совместно с процессом испарения диспергирование влияет на время существования нефтяного пятна на поверхности воды и границы его распространения в толщу.
Основное сопротивление процессам образования капель нефти в воде оказывает межфазное натяжение (), которое составляет =20-30 мДж/м2.
Химические дисперганты, введенные в нефтяное пятно, уменьшают значение поверхностного натяжения (примерно в 10 раз и более). Это делает возможным диспергирование нефти в толще воды даже при отсутствии частичного обрушения гребней волн.
Капли могут разбиваться на меньшие до тех пор, пока не достигнут диаметра, при котором энергия, требуемая на разбивание капли, не превысит ту, которая может быть передана капле потоком; принято считать, что этот диаметр примерно равен 50 мкм.
Глубины, на которые могут проникать капли в толщу воды, зависят от характеристики нефти и от потока, в котором она находится. В условиях моря нефть частично обнаруживается на глубине 1 м и редко – на глубинах более 10 м.
Таким образом, часть нефтепродуктов в виде капель попадает в толщу воды. Размеры капель разные, соответственно неодинаковы скорости их всплывания, следовательно, и время нахождения в воде. Под действием ветра и волн нефтяное пятно движется в определенном направлении, а всплывающие капли отстают от основного пятна, образуя «шлейф» с разной толщиной пленки (см. рис.2).
Рис.2 Трансформация нефтяного пятна под действием ветровых волн
– толщина нефтяного пятна