Очистка воды от примесей, загрязнителей и патогенных микроорганизмов — один из ключевых аспектов физики окружающей среды. Физические процессы занимают особое место в технологии водоподготовки, так как они обеспечивают первичное и промежуточное удаление загрязняющих веществ, создавая основу для более тонкой химической или биологической обработки.
Физические методы очистки воды основаны на механических и энергетических воздействиях: фильтрации, седиментации, флотации, ультразвуковом и электрическом воздействии, мембранных процессах, термическом воздействии. Эти методы позволяют удалить как взвешенные частицы, так и микроорганизмы, коллоидные включения и растворённые соли.
Принцип действия. Осаждение примесей в воде под действием силы тяжести является одним из древнейших и наиболее простых методов очистки. Скорость осаждения частицы определяется законом Стокса:
$$ v = \frac{2r^2 (\rho_t - \rho_w) g}{9 \eta}, $$
где r — радиус частицы, ρt — плотность твёрдой фазы, ρw — плотность воды, η — вязкость среды, g — ускорение свободного падения.
Факторы эффективности:
Применение многокамерных отстойников и вертикальных скоростных сепараторов позволяет увеличить эффективность седиментации.
Суть метода. Фильтрация основана на прохождении воды через пористые материалы (песок, гравий, активированный уголь, мембраны). Загрязнители задерживаются благодаря механическому просеиванию, адсорбции и инерционному захвату.
Виды фильтрации:
Ключевой аспект. Мембранные технологии позволяют удалять частицы размером до нескольких нанометров, включая вирусы и соли тяжёлых металлов.
Принцип. Вода насыщается пузырьками воздуха или другого газа, которые прилипают к частицам загрязнителя и поднимают их на поверхность.
Разновидности:
Флотация особенно эффективна для удаления нефтепродуктов, органических загрязнителей и поверхностно-активных веществ.
Электрокоагуляция. При пропускании электрического тока через воду на электродах образуются ионы металлов (например, Al³⁺, Fe²⁺), которые способствуют укрупнению коллоидных частиц и их осаждению.
Электродиализ. Основан на применении ион-селективных мембран, пропускающих только катионы или анионы. Под действием электрического поля происходит разделение раствора на очищенную воду и концентрат солей.
Преимущества: возможность удаления растворённых солей и тяжёлых металлов без применения химических реагентов.
Физическая основа. Ультразвук высокой интенсивности вызывает кавитацию — образование и схлопывание пузырьков в воде, что сопровождается высокими локальными давлениями и температурами. Эти процессы приводят к разрушению клеточных стенок микроорганизмов, деструкции органических молекул и диспергированию загрязнителей.
Применение: обеззараживание воды, разрушение эмульсий, повышение эффективности флотации и коагуляции.
Ультрафиолетовое излучение. Облучение воды в диапазоне 200–280 нм разрушает ДНК и РНК микроорганизмов, приводя к их инактивации. Метод используется как завершающий этап для обеззараживания питьевой воды.
Гамма-излучение и пучки электронов. Эти виды ионизирующего излучения способны разлагать органические загрязнители и уничтожать вирусы и бактерии. Ограничением является высокая стоимость и необходимость защиты от радиации.
Кипячение и дистилляция. При нагревании до 100 °C уничтожаются микроорганизмы, а при испарении и последующей конденсации воды (дистилляции) удаётся удалить большинство примесей, включая соли и тяжёлые металлы.
Современные аналоги. Солнечные дистилляторы и многокорпусные испарительные установки находят применение в районах с дефицитом пресной воды.
Ультрафильтрация. Пропускание воды через мембраны с размером пор 0,01–0,1 мкм позволяет задерживать коллоиды, бактерии и вирусы.
Нанофильтрация. Используется для удаления органических молекул и частично растворённых солей.
Обратный осмос. Под действием высокого давления вода проходит через полупроницаемую мембрану, оставляя практически все соли и примеси. Это один из наиболее эффективных методов опреснения морской воды.
Для достижения высокой степени очистки часто применяется сочетание технологий:
Такая интеграция позволяет удалять широкий спектр загрязнителей — от механических примесей до микрозагрязнителей и растворённых солей.