Тема 1. Общие сведения о способах разделения (очистки)

загрязненных систем

Целевая установка – материал усвоен, если студент знает: 1) состав и структуру гетеро – и гомогенных загрязненных систем; 2) процессы разделения загрязненных систем, чем обусловлена движущая сила этих процессов, пути интенсификации процессов разделения.

1. Гетерогенные и гомогенные системы

Неоднородными, или гетерогенными, называют системы, состоящие по меньшей мере из двух фаз. При этом одна из фаз является сплошной (дисперсионная среда), а другая дисперсной, распределенной в первой в раздробленном состоянии: в виде капель, пузырей, мелких твердых частиц и т.п.

В зависимости от физического состояния фаз различают следующие бинарные гетерогенные системы: суспензии, эмульсии, пены, пыли, дымы, туманы.

Суспензия – система, состоящая из жидкости (сплошная) и взвешенных в ней твердых частиц. В зависимости от размеров частиц суспензии подразделяют на: а) грубые (с частицами размером более 100 мкм), б) тонкие (содержащие частицы размером 0,1 – 100 мкм), в) коллоидные растворы (с частицами менее 0,1 мкм).

Эмульсия – система, состоящая из жидкости и распределенных в ней капель другой жидкости, не растворяющейся в первой.

Пена – система, состоящая из жидкости (сплошная фаза) и распределенных в ней пузырьков газа.

Пыль – система, состоящая из газа и распределенных в нем твердых частиц размером более 5 мкм. Пыль образуется при дроблении, смешивании и транспортировании твердых материалов. Полученная в результате промышленного производства пыль состоит из твердых частиц размерами 3 70 мкм, иногда размер превышает 70 мм.

Дым – система, состоящая из газа (сплошная фаза) и распределенных в нем твердых частиц, размером менее 5 мкм. Образуется при горении.

Туман – система, состоящая из газа (сплошная фаза) и распределенных в нем капель жидкости размером менее 5 мкм.

Пыли, дымы и туманы представляют собой аэродисперсные системы и носят общее название – аэрозоли.

Сказанное можно охарактеризовать с помощью таблицы.

Таблица 1.1

Характеристика гетерогенных систем

Гетерогенная (неоднородная система)	Сплошная фаза: агрегатное состояние	Распределенные частицы		Примечание
		агрегатное состояние	размер, мкм
Суспензия
- грубая	Ж	Т	более 100	-
- тонкая	Ж	Т	0,1 - 100	-
- коллоидный раствор	Ж	Т	менее 0,1	-
Эмульсия	Ж	Ж (капли)	-	-
Пена	Ж	Г (пузырьки)	-	-
Пыль	Г	Т	3-70 и более	образуется при дроблении
Дым	Г	Т	менее 5	образуется при горении
Туман	Г	Ж (капли)	менее 5	-

Примечание: Г- газ, Ж – жидкость, Т – твердое тело.

Для эмульсий и пен при определенных концентрациях дисперсной фазы возможен ее переход в сплошную; при этом фаза, бывшая сплошной, становится дисперсной. Этот переход называют инверсией фаз.

В большинстве случаев гетерогенные системы содержат частицы, различающиеся по размеру. Такие системы называют полидисперсными. Они характеризуются фракционным, или дисперсионным, составом, т.е. долей частиц определенного размера от общего содержания дисперсной фазы.

Встречаются системы, в которых все частицы близки по размерам. Их называют монодисперсными.

Большинство гетерогенных систем неустойчиво, т.е. имеют тенденцию к укрупнению частиц. Укрупнение капель или пузырей путем их слияния называют коалесценцией, а укрупнение твердых частиц вследствие их слипания – коагуляцией.

Процессы, связанные с разделением неоднородных систем, играют большую роль при очистке сточных вод и отходящих газов, при выделении из среды ценных компонентов, а также в химической промышленности.

Применяют следующие основные методы разделения неоднородных систем: осаждение, фильтрование, мокрую очистку газов. При разделении на молекулярном уровне применяют абсорбцию, адсорбцию, экстракцию. Особое место занимает биологическая очистка сточных вод.

Существуют и другие методы разделения и очистки.

Выброс и сброс могут представлять собой абсолютно однородные системы называемые истинными растворами. Растворы истинные – однородные смеси двух или большего числа веществ (компонентов), которые равномерно распределены по всему объему раствора в виде отдельных молекул, атомов или ионов. Размер распределенных частиц от 10^-8 м и менее. Газовые растворы также называют смесью газов или газовой смесью. Классический пример газовой смеси – воздух. Абсолютно сухой приземный атмосферный воздух содержит, (% объемные): 78% азота (N₂), ~ 21% кислорода; (O₂) ~ 0,9% аргона (Ar), ~ 0,03% диоксида углерода (CO₂) и в значительно меньшем количестве многие другие газы. При поступлении в природный воздух таких дополнительных компонентов загрязнения, как газы: диоксид серы (SO₂), оксиды азота (N_mO_n) и др. – загрязненный воздух продолжает представлять собой однородную систему – газовую смесь или истинный раствор.

Почва представляет собой сложную систему как по абиотическим (неживым), так и по биотическим параметрам. Почва – поверхностный слой земной коры (точнее коры выветривания), который образуется и развивается в результате взаимоотношений микроорганизмов, растений, животных, а также взаимодействия горных пород, воды и др. Почва – самостоятельное природное образование. Важнейшее свойство почвы – плодородие, т. е. способность обеспечивать рост и развитие растений. В верхнем почвенном профиле преобладают движения почвенных растворов сверху вниз. Твердая компонента почвы – минералы и фрагменты гумуса (перегноя). Между ними располагаются каналы и поры по которым циркулируют водные растворы, взвеси, газовые смеси.

Таким образом почва может подвергнуться комплексному многокомпонентному загрязнению. Уровень загрязнения почвы со временем понижается, благодаря функционированию здесь живых организмов. Ткани многоклеточных организмов могут содержать различные ядовитые вещества в концентрированном виде в результате питания на загрязненных почвах. Легко растворимые вещества диффундируют по разным участкам почвы в вертикальном и горизонтальном направлениях. В ряде случаев сильно загрязненные почвенные слои снимают и транспортируют на хранение подобно некоторым твердым отходам антропогенной деятельности. На соответствующей «оголенной» территории проводят мероприятия по рекультивации земель. Рекультивация земель – комплекс мероприятий, направленных на восстановление продуктивности нарушенных земель, а также на улучшение условий окружающей среды.