4. Дисперсные водные системы и их классификация.

В технологических процессах очистки воды разного происхождения понятие дисперсность характеризует степень раздробленности частиц примесей, или их размер. Примеси воды с размерами частиц <10-7 см образуют с ней истинные растворы - системы гомогенные, однофазные. Природные и сточные воды в большинстве случаев являются гетерогенными системами, состоящими по меньшей мере из двух фаз.

Дисперсными называются системы, в которых одно вещество в виде очень мелких частиц распределено в среде другого вещества. Дисперсные системы гетерогенны. Совокупность мелких частиц составляет дисперсную фазу, а вещество, в котором они распределены, называется дисперсионной средой.

Дисперсные системы имеют много разновидностей, отличающихся агрегатным состоянием дисперсной фазы и дисперсионной среды. Если обозначить Г- газ, Ж- жидкость, Т- твердое агрегатное состояние, при этом индекс 1 отнести к среде, а 2- к фазе, то возможно несколько комбинаций. Например, Г1 - Ж2 - это аэрозоль, более конкретно туман, когда в газообразной среде растворены капли воды; Г1 - Т2 - тоже аэрозоли (аэрозоль пыль представляет собой газообразную систему с растворенными в ней твердыми частичками, а аэрозоль дым - ту же систему с конденсированными летучими веществами); Ж1 - Г2 - это пена; Ж1 – Ж2 эмульсия; Ж1 - Т2 с низкодисперсными частичками - суспензия, с тонкодиспергированными частичками - коллоидные растворы, или золи.

Свойства любой такой системы существенно зависят от размера частиц дисперсной фазы. Для количественной оценки дисперсности введено понятие степень дисперсности Д - величина, обратная поперечному размеру частицы. Гетерогенные системы, в которых дисперсионной средой является жидкость, по степени дисперсности частиц подразделяются на взвеси (суспензии и эмульсии) с D< 105 см-1 и коллоидные растворы (107 > D> 105 см-1 ).

Дисперсные системы подразделяют также на лиофильные, частицы которых способны в большом количестве связывать молекулы дисперсионной среды, и лиофобные, в которых взаимодействие частиц с дисперсионной средой незначительно. Если дисперсионной средой в системе является вода, пользуются соответственно терминами гидрофильный и гидрофобный.

В гетерогенных дисперсных системах, например Ж1 - Т2, жидкость и твердое вещество дисперсной фазы имеют поверхностную границу, где происходит их соприкосновение. Поверхность соприкосновения называется межфазовой. Состояние молекул в соприкасающихся слоях Ж1 и Т2 отличается от состояния их внутренних слоев. На межфазовой поверхности молекулы твердого вещества дисперсной фазы испытывают притяжение молекул жидкости меньше, чем со стороны молекул внутренних слоев Т2.

Возникающая при этом напряженность межмолекулярных сил на границе раздела фаз определяет потенциальную энергию межфазовой поверхности, называемую поверхностной энергией.

По степени дисперсности частиц коллоидные растворы располагаются между взвесями и истинными растворами. По внутренней структуре коллоидных частиц различают: суспензоиды и ассоциативные или мицеллярные коллоиды.

Суспензоиды. К ним относятся такие коллоиды, которые сохраняют структуру исходного вещества, но имеют при этом высокую степень дисперсности.

Представители суспензоидов - растворы оксидов и гидроксидов металлов, сульфидов и других неорганических солей - золи гидрофобные. Их концентрация обычно не превышает 0,1%. Осадок таких растворов, остающийся после выпаривания, при соприкосновении с водой не способен вновь образовать коллоидный раствор, поэтому суспензоиды называют необратимыми коллоидами.

Ассоциативные коллоиды. Ряд синтетических и природных веществ способен в зависимости от условий образовывать истинные и коллоидные растворы. К числу таких веществ относятся мыла, моющие средства, некоторые органические красители. Все они являются поверхностно активными веществами.

Истинная растворимость этих веществ в воде невелика, но для них характерно образование ассоциатов молекул, достигающих размеров частиц коллоидной степени дисперсности, если концентрация раствора превышает некоторую критическую величину. Ассоциаты молекул, так же как в суспензоидах, называют мицеллами, а концентрацию, при которой начинается ассоциация молекул, называют критической концентрацией мицеллообразования (ККМ).

Поверхностно-активные вещества широко применяются в быту и промышленности, поэтому часто оказываются в сточных водах.

Высокомолекулярные соединения (ВМС). К ним относятся природные и синтетические полимеры с молекулярной массой от десятков тысяч до нескольких миллионов. Это белки, полисахариды, каучук, синтетические полимеры. Размер молекул ВМС соответствует частицам коллоидной степени дисперсности. Растворы этих веществ часто называют молекулярными коллоидами, однако на самом деле ВМС образуют истинные растворы, т.е. однофазные системы. От коллоидных растворы ВМС отличает большая устойчивость, связанная с наличием в их молекулах большого количества лиофильных групп, более высокая концентрация растворов, способность сухою вещества набухать и переходить в растворенное состояние. Тем не менее растворы ВМС имеют и некоторые свойства коллоидов.

Различное фазово-дисперсное состояние примесей в воде побуждает классифицировать содержание в ней примесей. В нашей стране используется классификация предложенная академиком Л.А.Кульским, основана на различии физико-химического состояния, которое в значительной мере определяется дисперсностью веществ. Этот принцип позволил разделить все многообразные примеси природных и сточных вод, различающиеся по химическим и физическим характеристикам, на четыре группы.

Первая группа примесей с частицами размером 101 - 105 см (степень дисперсности 10 -105 представлена увешенными в воде частицами, образующими суспензии и эмульсии. К этой группе отнесены также различные организмы планктона, в том числе бактерии.

Вторую группу примесей с частицами размером 105 -106 см составляют коллоидно растворенные примеси и высокомолекулярные органические вещества.

К третьей группе примесей, размер частиц которых оставляет 106 - 107 см, отнесены молекулярно растворенные вещества, вирусы и бактериофаги, а также растворенные в воде газы - кислород, диоксид углерода и т.д.

Четвертую группу примесей с частицами размером менее 107 см составляют вещества, диссоциирующие в воде на ионы.

Примеси первой и второй групп образуются водой гетерогенные, а третьей и четвертой групп - гомогенные системы.

Примеси каждой группы обладают специфическими особенностями, поэтому для их удаления необходимы определенные технологические приемы. При очистке воды по мере необходимости можно переводить загрязняющие вещества из одного фазово-дисперсного состояния в другое.