Як випливає з назви, методи очищення води даної групи поєднують в собі хімічне і фізичний вплив на забруднювачі води. Вони досить різноманітні і застосовуються для видалення самих різних речовин. У їх числі розчинені гази, тонкодисперсні рідкі або тверді частинки, іони важких металів, а також різні речовини в розчиненому стані. Фізико-хімічні методи можуть застосовуватися як на стадії попереднього очищення, так і на пізніх етапах для глибокого очищення.
Різноманітність методів даної групи велике, тому нижче будуть наведені найбільш поширені з них:
- флотация;
- сорбція;
- екстракція;
- іонообмін;
- електродіаліз;
- Зворотній осмос;
- термічні методи.
Флотація, стосовно до водоочистки, являє собою процес відділення гідрофобних частинок при пропущенні через воду великого числа бульбашок газу (зазвичай повітря). Показники смачиваемости виділень забруднювача такі, що частинки закріплюються на поверхні розділу фаз бульбашок і разом з ними піднімаються на поверхню, де утворюють шар піни, який може бути легкий видалений. Якщо отделяемая частка виявляється більше за розмірами ніж бульбашки, то разом вони (частка + бульбашки) утворюють так званий флотокомплекс. Нерідко флотацию комбінують з використанням хімічних реагентів, наприклад, сорбирующихся на частинках забруднювача, чим досягається зниження його смачиваемости, або є коагулянтами і проводять до укрупнення видаляються частинок. Флотацію переважно використовують для очищення води від різних нафтопродуктів і масел, але також можуть віддалятися тверді домішки, відділення яких іншими способами неефективно.
Існують різні варіант здійснення процесу флотації, через що виділяють наступні її типи:
- пінна;
- напірна;
- механічна:
- пневматична;
- електрична;
- хімічна і т.д.
Наведемо як приклад принцип роботи деяких з них. Широко використовується метод пневматичної флотації, при якій освіту висхідного потоку бульбашок створюється за рахунок установки на дні резервуара аераторів, зазвичай представляють собою перфоровані труби або пластини. Подається під тиском повітря проходить крізь отвори перфорації, за рахунок чого дробитися на окремі бульбашки, які здійснюють сам процес флотації. При напірної флотації потік води, що очищається змішується з потоком води, перенасиченої газом і знаходиться під тиском, і подається в камеру флотації. При різкому падінні тиску розчинений у воді газ починає виділятися у вигляді бульбашок малого розміру. У разі електрофлотаціі процес утворення бульбашок протікає на поверхні розташованих в очищується воді електродів при протіканні по ним електричного струму.
Сорбційні методи засновані на виборчому поглинанні забруднюючих речовин в поверхневому шарі сорбенту (адсорбція) або в його обсязі (абсорбція). Зокрема для очищення води використовується процес адсорбції, який може носити фізичний і хімічний характер. Відмінність полягає в способі утримання адсорбируемого забруднювача: за допомогою сил молекулярного взаємодії (фізична адсорбція) або завдяки освіті хімічних зв'язків (хімічна адсорбція або хемосорбция). Методи даної групи здатні досягти більшої ефективності та прибирати з води навіть малі концентрації забруднювачів при великих її витратах, що робить їх кращими в якості методів доочищення на завершальних стадіях процесу водоочищення і водопідготовки. Сорбційними методами можуть віддалятися різні гербіциди і пестициди, феноли, поверхнево активні речовини і т.д.
Як адсорбенти використовуються такі речовини як активоване вугілля, силікагель, алюмогели і цеоліти. Їх структура робиться пористої, що значно збільшує питому площу адсорбенту, що припадає на одиницю його обсягу, через що досягається велика ефективність процесу. Сам процес адсорбційного очищення може бути здійснений шляхом змішування води, що очищається і адсорбенту, або ж шляхом фільтрації води через шар адсорбенту. Залежно від сорбирующего матеріалу і витягується забруднювача процес може бути регенеративним (адсорбент після регенерації використовується знову) або деструктивні, коли адсорбент підлягає утилізації через неможливість його регенерації.
Очищення води методом рідинної екстракції полягає в використанні екстрагентів. Стосовно до очищення води, ектсрагент - це не змішується або мало змішується з водою рідина, значно краще растворяющая в собі витягнуті з води забруднювачі. Процес здійснюється наступним чином: очищається вода і ектрагент перемішуються для розвитку великої поверхні контакту фаз, після чого в них відбувається перерозподіл розчинених забруднюючих речовин, велика частина яких переходить в екстрагент, потім дві фази поділяються. Насичений вилучаються забруднювачами екстрагент називається екстрактом, а очищена вода - Рафінат. Далі екстрагент може бути утилізований або регенерирован в залежності від умов процесу. Даним методом з води видаляються переважно органічні сполуки, такі як феноли і органічні кислоти. Якщо екстрагованих речовин представляє певну цінність, то після регенерації екстрагента воно замість утилізації може бути з користю використано для інших цілей. Даний факт сприяє застосуванню екстракційного методу очищення до стічних вод підприємств для отримання і подальшого використання або повернення в виробництво ряду речовин, втрачаються зі стоками.
Іонний обмін в основному використовується в водопідготовки з метою пом'якшення води, тобто вилучення солей жорсткості. Суть процесу полягає в обміні іонами між водою і спеціальним матеріалом, званим іонітом. Іоніти поділяються на катіоніти і аніоніти в залежності від типу обмінюваних іонів. З хімічної точки зору ионит є високомолекулярна речовина, що складається з каркаса (матриці) з великою кількістю функціональних груп, здатних до іонообмінних. Існують природні іоніти, такі як цеоліти і сульфоуглі, які застосовувалися на ранніх етапах розвитку іонообмінного очищення, але в даний час широкого поширення набули штучні іонообмінні смоли, що значно перевершують свої природні аналоги по ионообменной здатності. Метод очищення іонним обміном набув широкого поширення, як в промисловості, так і в побуті. Побутові іонообмінні фільтри, як правило, не використовуються для роботи з сильно забруднені водами, тому ресурсу одного фільтра вистачає на очищення великої кількості води, після чого фільтр підлягає утилізації. У той же час при водопідготовки іонообмінний матеріал найчастіше підлягає регенерації за допомогою розчинів з великим вмістом іонів H + або OH--.
Електродіаліз є комплексний метод, що поєднує мембранний і електричний процеси. З його допомогою можна видаляти з води різні іони і проводити знесолення. На відміну від звичайних мембранних процесів, в електродіалізі використовуються спеціальні іоноселективні мембрани, пропускають іони тільки певного знака. Апарат для проведення електродіаліз називається Електродіалізатор і являє собою ряд камер, розділених чергуються Катіонообменная і аніонообмінна мембранами, в які надходить очищається вода. У крайніх камерах розташовані електроди, до яких підводиться постійний струм. Під дією виниклого електричного поля іони починаються рухатися до електродів відповідно до свого заряду, поки не зустрічають Іоноселективні мембрану з збігається зарядом. Це призводить до того, що в одних камерах відбувається постійний відтік іонів (камери знесолення), а в інших, навпаки, спостерігається їх накопичення (камера концентрування). Розводячи потоки з різних камер можна отримати концентрований і знесоленої розчини. Незаперечні переваги даного методу полягають не тільки в очищенні води від іонів, але і в отриманні концентрованих розчинів виділень речовини, що дозволяє повертати його назад у виробництво. Це робить електродіаліз особливо затребуваним на різних хімічних підприємствах, де разом зі стоками втрачається частина цінних компонентів, і застосування даного методу здешевлюється за рахунок отримання концентрату.
Додаткова інформація за електродіаліз
Зворотний осмос відноситься до мембранних процесів і проводиться під тиском більше осмотичного. Осмотичний тиск - надлишковий гідростатичний тиск, прикладена до розчину, відокремленому напівпроникною перегородкою (мембраною) від чистого розчинника, при якому припиняється дифузія чистого розчинника через мембрану в розчин. Відповідно, при робочому тиску вище осмотичного буде спостерігатися зворотний перехід розчинника з розчину, за рахунок чого концентрація розчиненої речовини буде зростати. Таким способом можна відокремлювати розчинені гази, солі (включаючи солі жорсткості), колоїдні частинки, а також бактерії і віруси. Також установки зворотного осмосу виділяються тим, що використовуються для отримання прісної води з морської. Даний тип очищення з успіхом використовується як в побутових умовах, так і при обробці стічних вод та водопідготовки.
Додаткова інформація за зворотному осмосу і системам зворотного осмосу
Термічні методи засновані на впливі на воду, що очищається підвищених або знижених температур. Одним з найбільш енергоємних процесів є випарювання, проте воно дозволяє отримати воду високого ступеня чистоти і висококонцентрований розчин з нелетучими забруднювачами. Також концентрування домішок може здійснюватися за допомогою виморожування, оскільки в першу чергу починає кристалізуватися чиста вода, і лише потім залишилася її частина з розчиненими забруднювачами. Виправними, як і виморожуванням, можна проводити кристалізацію - виділення домішок у вигляді випадають в осад кристалів з насиченого розчину. Як екстремального методу використовується термічне окислення, коли очищається вода розпорошується і піддається впливу високотемпературних продуктів згоряння палива. Даний метод використовується для нейтралізації високотоксичних або важко розкладаються забруднювачів.
