Сущность метода: сорбционная очистка сточных вод производства - это процесс поглощения частиц загрязнителя различными фильтрующими материалами. Основным критерием при выборе того или иного фильтрующего материала являются сорбционные свойства материала, так как именно от них зависит эффективность очистки сточных вод. Среди критериев выбора фильтрующего материала можно назвать несколько основных свойств материала:
Механическая прочность материала;
Химическая устойчивость материала;
Сорбционные свойства материала.
Сорбционные методы можно условно поделить на две разновидности:
1) сорбция на активированном угле (адсорбционный обмен);
2) сорбция на ионитах (ионный обмен).
Достоинства метода:
1) очистка до ПДК;
2) возможность совместного удаления различных по природе примесей;
3) отсутствие вторичного загрязнения очищаемых вод;
4) возможность возврата очищенной воды.
Недостатки метода:
1) дороговизна и дефицитность сорбентов;
2) громоздкость оборудования;
3) большой расход реагентов для регенерации сорбентов;
4) образование вторичных отходов, требующих дополнительной очистки.
4. Доочистка сточных вод фильтрованием через неподвижный слой сорбента
Двухступенчатая доочистка сточных вод осуществляется последовательно на песчаных и сорбционных фильтрах, которые устанавливаются после других сооружений очистки. Технология очистки предназначена для получения такого качества воды, которое позволяет использовать обеззараженную воду в технологических процессах промышленных предприятий. Доочистке на фильтрах подвергаются все загрязнения, находящиеся в составе сточных вод.
Для доочистки сточных вод использовались активированные угли марок АГ-5 и КАД йодный, выпускаемые промышленностью, а также торфяной активированный уголь (ТАУ).
Характеристика активированных углей, используемых для доочистки сточных вод, приведена в табл.
Характеристика активированных углей
|
Марка угля |
Суммарная пористость, см 3 /г |
Удельный объем макропор, см 3 /г |
Удельный объем переходных пор, см 3 /г |
Удельный объем микропор, см 3 /г |
Порозность загрузки |
Насыпной вес, г/см 3 |
Диаметр зерен, мм |
Удельная поверхность переходных пор, м 2 /г |
|
КАД йодный |
||||||||
Показатели качества сточных вод (до и после доочистки) приведены в табл.
Показатели качества сточных вод после доочистки на фильтрах
|
Показатель |
Концентрация загрязнений до применения фильтров, мг/л |
Концентрация загрязнений после доочистки, мг/л |
|||
|
на песчаных фильтрах |
применение сорбционного фильтра, загруженного углем АГ-5 |
применение сорбционного фильтра, загруженного углем КАД йодным |
применение сорбционного фильтра, загруженного ТАУ углем |
||
|
Взвешенные вещества |
отсутствуют |
отсутствуют |
отсутствуют |
||
|
БПК поли |
|||||
|
Растворимый кислород |
|||||
На рис. 6 приведена схема доочистки сточных вод на двухступенчатых фильтрах. реагентный сточный фильтрование
Рис. 6. Схема доочистки сточных вод: 1 – вода после сооружений биологической очистки; 2 – приемный резервуар; 3 – насосная установка; 4 – устройство для перемешивания воды; 5 – распределительная камера; 6 – фильтр, загруженный песком; 7 – приемный резервуар; 8 – насосная установка; 9 – устройство для перемешивания воды; 10 – распределительная камера; 11 – сорбционный фильтр; 12 – промывной насос; 13 – резервуар промывной воды; 14 – сброс очищенной воды
Технологическая схема двухступенчатой доочистки сточных вод включает в себя приемный резервуар 2, насосную установку 3, с помощью которой вода подается в распределительную камеру 5, откуда самотеком поступает на песчаные фильтры 6. Очищенная на песчаных фильтрах вода собирается в приемный резервуар 7, откуда насосной установкой 8 перекачивается в распределительную камеру 10. На сорбционные фильтры 11 вода из распределительной камеры подается снизу вверх. При подаче сточных вод в распределительные камеры 5 и 10 часть воды переливается и отводится по трубопроводам 4 и 9 в приемные резервуары, где происходит перемешивание исходной жидкости. Эффективность очистки воды 96–99 %
Первая ступень фильтра загружена песком с диаметром зерен 1,8 мм и высотой 0,5–1 м. Скорость фильтрования составляет 10 м/ч. Период между регенерацией загрузки фильтра зависит от концентрации веществ и составляет 9–15 ч. Грязеемкость фильтра находится в пределах от 2,6 до 6,6 кг/м 3 . Промывка фильтра производится водой с интенсивностью 18–20 л/см 2 . Продолжительность промывки составляет 7 мин. Объем промывной воды – 4 % от объема очищенной воды. Для фильтров первой ступени можно использовать водовоздушную промывку с интенсивностью подачи воды 12 л/см 2 и интенсивностью подачи воздуха 16–19 л/см 2 . Продолжительность водовоздушной промывки составляет 6 мин.
Сорбционный фильтр загружен сорбентом на высоту 3,2 м, скорость фильтрования воды – 2–2,5 м/ч. Крупность зерен загрузки 1–2 мм. Интенсивность промывки сорбционных фильтров 6–12 л/см 2 . Продолжительность промывки принимается 7–10 мин. и уточняется в процессе эксплуатации фильтров. Фильтроцикл составляет 24 часа. Продолжительность работы сорбционных фильтров до регенерации – от 3 до 4 суток. Регенерация загрузки сорбционных фильтров выполняется тогда, когда ХПК (химическое потребление кислорода) после фильтрования на второй ступени превышает 15 мг/л.
Расчет величины рН сточных вод
Количество кислотных компонентов в стоках составляет:
H 2 SO 4 = 500 мг/л
HCl = 500 мг/л
M (H 2 SO 4) = 2·1,008+32,064+4·15,999 = 98,076 г/моль
M (HCl) = 1,008+35,453 = 36,461 г/моль
[Н + ] = / M = 500 / 98,076 = 5,1 моль/м 3
[Н + ] = / M = 500 / 36,461 = 13,7 моль/м 3
pH = -1g =-1g (([Н + ] H2SO4 + [Н + ] HCl) /Q ст)
где Q ст – производительность стока, Q ст = 2 м³/час
pH = -1g ((5,1 + 13,7) / 2) = - lg 9,4 = - 0,97
Таким образом, рН стоков равен 0,97 что говорит об избытке кислых компонентов (кислот).
1м 3 =1000дм 3 =1000л
1мг/л=1мг/дм 3 =1г/м 3
|
Расход реагента в граммах на 1г иона металла, |
||||
Проблема очистки воды издавна волновала человечество. Сегодня существует много способов ее очищения. Одним из самых распространенных, без сомнения, является сорбционная очистка воды. В чем ее суть?
Из этой статьи вы узнаете:
Что такое сорбционная очистка воды
Как происходит сорбционная очистка воды
Какие фильтры используются для сорбционной очистки воды
Какие виды сорбентов используются
Сорбционная очистка воды – что это такое
Сорбционная очистка воды – высокоэффективный способ глубокого очищения, при котором эффект достигается путем связывания на молекулярном уровне частиц химических веществ и различных примесей. Подобная очистка воды позволяет удалить даже органические соединения, которые невозможно отделить какими-то другими методами.
Современные высокоактивные сорбенты эффективно работают в воде с любой, даже самой маленькой, концентрацией нежелательных примесей. В результате сорбционной очистки в воде практически нет остаточного концентрата.
Термин «адсорбция» означает поглощение какого-либо вещества из газообразной среды или раствора поверхностным слоем другого вещества. Этот процесс происходит и в воде, которую мы очищаем, при добавлении определенных веществ. Адсорбент притягивает молекулы нежелательных примесей к своей поверхности и больше не отпускает их.
Сорбционная очистка особенно эффективна на завершающей стадии высокого уровня очищения, когда вода, пройдя через предыдущие ступени очистки, оставила на фильтрах практически все ненужное, и теперь необходимо удалить самые незначительные концентрации нежелательных примесей.
Насколько быстро и эффективно пройдет этот процесс, зависит от следующих факторов:
структуры сорбента;
температуры, при которой идет процесс;
вида и концентрации вредного вещества в воде;
активности реакции среды.
Для чего нужна сорбционная очистка воды и где она используется
Сорбционная очистка воды известна людям довольно давно. И раньше, и по сей день для этого, например, использовали фильтрацию углем, который отлично работает в замкнутых системах, глубоко очищая, в том числе от органики.
Сорбционная очистка воды дает отличные результаты, удаляя различные органические вещества, позволяя очистить стоки от красителей или других гидрофобных соединений. Широкую популярность такому методу принес и тот факт, что он не требует значительных материальных затрат.
Сорбционная очистка воды может быть использована как самостоятельный метод, а может применяться в сочетании с биологическим очищением. Однако этот способ не может быть использован при загрязнении только неорганическими примесями или органическими примесями низкомолекулярной структуры. Он очищает воду не только от примесей, увидеть которые можно только в результатах лабораторных анализов, но и от легко определяемых человеком посторонних запахов и привкуса хлора и сероводорода.
Активированный уголь – эффективный адсорбент, имеющий в своей структуре микропоры, успешно выполняющие фильтрацию. Получить его нетрудно: сырьем для производства служит дерево, торф, скорлупа орехов, продукты животного происхождения. Нанесение на поверхность частиц активированного угля ионов серебра продляет срок службы адсорбента, предотвращая его поражение микробами.
Активированный уголь является на сегодняшний день одним из лучших сорбентов, используемых в современных системах. Он бывает разных типов. Самое высокое качество сорбционной очистки воды даст тот, что имеет максимально возможное количество микропор.
Сорбционная очистка воды активированным углем обычно используется для удаления из воды органики при ее подготовке перед обратным осмосом. При этом жидкость очищается и от хлора, что делает ее более приемлемой для проведения гигиенических процедур.
Фильтры, заполненные активированным углем, могут прийти в негодность, если в них с водой попадают коллоидные частицы, которые не дают микропорам выполнять свои функции. В таком случае приходится менять сорбент либо его восстанавливать.
Сорбционная очистка воды с помощью фильтров на активированном угле значительно улучшает качество жидкости, освобождая ее не только от хлора, но также от азотистых соединений. При одновременной сорбции и озонировании воды возможности активированного угля по ее очистке от примесей значительно повышаются. Если в качестве сорбента использовать природные минералы с добавлением Ca, Mg и окислов алюминия, вода очищается от соединений фосфора.
Отлично справляются сорбционные фильтры с очисткой воды от железа, когда в жидкости после процесса окисления образуются нерастворимые оксиды в виде твердых частиц.
На какие виды делится сорбционная очистка воды
По типу процесс сорбционной очистки бывает:
периодический;
непрерывный.
По гидродинамическому режиму есть:
установки вытеснения;
установки смешения;
установки промежуточного типа.
По состоянию слоев используемого сорбента очистка может быть:
движущейся;
неподвижной.
По направлению фильтрации очистка бывает:
противоточная;
прямоточная;
смешенного движения.
По контакту взаимодействующих фаз процесс очистки делят на:
ступенчатый;
непрерывный.
По конструкции фильтра очистка бывает:
колонная;
емкостная.
Основные виды сорбентов
Мы уже говорили, что очень популярным видом сорбента для очистки воды является активированный уголь, отлично удаляющий органические соединения природного и искусственного происхождения. Но, кроме активированного угля, используются и другие виды сорбента.
Безуглеродные сорбенты для очистки воды
Самой широко используемой технологией сорбционной очистки воды является очищение с помощью безуглеродных сорбентов. Они могут быть как природного, так и искусственного происхождения: глинистые породы, цеолиты и т. п.
Неуглеродные сорбенты обладают рядом преимуществ, таких как:
повышенная емкость;
способность обмениваться катионами;
распространенность и, соответственно, невысокая цена.
Глинистые породы
Глинистые породы часто играют роль фильтра воды в природе. Способность этого материала успешно использует для этих же целей и человек. Такие породы имеют слоистую жесткость, хорошо развитую структуру с большим количеством микропор различного размера.
Сорбционная очистка воды с помощью фильтров, где сорбентом выступают глинистые породы, – сложный процесс, включающий Ван-дер-ваальсовые реакции. В результате вода становится внешне кристально чистой, освобождается от токсичных органических соединений хлора, гербицидов, ПАВ.
Глинистые породы удобны еще и тем, что они доступны для добывания. Это увеличивает их потребление.
Цеолиты
Цеолиты – группа минералов с характерным стеклянным блеском. Сегодня используют природные и искусственные цеолиты. Они имеют интересное строение: трехмерный алюмосиликатный каркас с правильной тетраэдрической структурой и отрицательным зарядом. Гидратированные ионы щелочных и щелочно-земельных металлов расположены в пустотах каркаса и имеют положительный заряд, компенсирующий заряд каркаса. Цеолиты называют ситом для молекул, так как они улавливают вещества, молекулы которых меньше пустот каркаса.
Известно более 30 видов цеолитов. Самые используемые, которые просто добывать и перерабатывать: абазит, морденит, клиноптилолит.
Прежде чем использовать цеолит в качестве сорбента, его с хлорид-карбонатом натрия прокаливают в печи при температуре +1000 °С, после чего на его поверхности образуются кремнийорганические соединения, придающие ему гидрофобные свойства.
Цеолиты используют для сорбционной очистки воды в виде порошка. Они очищают воду от:
органических соединений.
коллоидных и бактериальных загрязнений;
пестицидов;
красителей;
Неорганические иониты
Большая их часть используется в форме соли, так как в водородной форме они существовать не могут. Но это не позволяет обессоливать воду без участия редких анионитов неорганических минералов. Поэтому приходится использовать органические катиониты и аниониты на основе синтетической органики.
Органические иониты
Многие органические иониты имеют гелевую структуру. У них нет пор, но в водном растворе они набухают и могут обмениваться ионами.
Есть работающие как активированный уголь макропористые иониты, которые менее емки, чем гелевые, но зато имеют улучшенный обмен и ситовый эффект, устойчивы к механической нагрузке, осмотически стабильны.
Важным достижением нашего времени стала возможность синтеза органических ионитов с заданными свойствами, не встречающимися в природе.
Из чего состоит сорбционный фильтр для очистки воды
Каждый сорбционный фильтр имеет следующие детали:
корпус определенного размера в виде баллона из стеклопластика;
стационарный слой активированного угля, имеющий гравийную подсыпку;
управляющий клапан определенного типа (иногда – механическая задвижка);
трубопровод для подачи сточной воды;
трубопровод для вывода очищенной воды;
трубопровод для подачи взрыхляющей воды;
дренажно-распределительная система.
Скорость работы фильтра напрямую зависит от того, насколько загрязнена вода, которую следует очистить. Влияют и размеры зерна сорбента (от 1 до 5 мм). Линейная скорость фильтрации воды может колебаться от 1 до 10 м 3 /час.
Лучшим способом сорбционной очистки воды считается ее подача в фильтр снизу вверх, когда вся площадь сечения фильтра наполняется водой равномерно, и из воды легко выходят пузырьки.
Для регенеративной очистки стоков с последующей утилизацией удержанных ценных элементов в сорбционном фильтре для очистки воды используют фильтры с неподвижным слоем сорбента. Извлечь нужные элементы в дальнейшем можно с помощью водяного пара либо химических растворителей.
Подробно изучить работу системы сорбционной очистки воды можно на примере фильтра серии ФСБ. Данная модель предназначена для работы в системах ливневой канализации. На входе в фильтр стоят предфильтры: пескоулавливатель и нефтеулавливатель, задача которых – не пропустить первые сильные загрязнения, способные быстро вывести фильтр из строя.
Пройдя предфильтры, вода по трубе попадает в сорбционный блок, откуда распределительно-разгрузочная труба выводит воду в нижнюю распределительную зону.
Попадая на расположенный здесь сорбент, вода равномерно распределяется по нему и проходит насквозь, очищаясь от примесей. Причем марку и объем используемого сорбента выбирают в зависимости от начального и конечного уровня концентрации вредных веществ и требующейся производительности.
Очищенная вода направляется восходящим потоком в сборный круговой лоток и отводится через патрубок.
Порядок работ по монтажу системы:
Выкопать котлован нужных размеров.
Засыпать его дно песком слоем 300 мм, хорошо утрамбовать.
На песчаной подушке залить железобетонную плиту толщиной не менее 300 мм, размеры которой на 1000 мм шире диаметра корпуса фильтра.
На плите смонтировать корпус сорбционного блока, тщательно соблюдая его вертикальность.
Чтобы корпус стоял устойчиво, в него предварительно (до уровня перфорированного днища) залить воду.
Корпус закрепить анкерами, чтобы при засыпке он не сдвинулся.
Котлован засыпать чистым песком до уровня входного и выходного патрубков. Делать это надо поэтапно, слоями по 300 мм, тщательно утрамбовывая каждый слой.
Подключить подводящий, отводящий и переливной трубопроводы. Далее засыпать корпус песком до верха, аккуратно утрамбовывая грунт, чтобы не повредить установленные трубы.
Заполнить корпус наполнителем из мешков, постоянно аккуратно распределяя его по всей площади днища.
Тщательно промыть уложенный сорбент до ввода системы в эксплуатацию.
В конце корпус необходимо заполнить чистой водой.
Если ваша система сорбционной очистки воды должна очищать воду от всех возможных типов загрязнения, то необходимо задействовать комплекс сорбентов: активированный уголь и различные ионообменные вещества, которые надо подобрать, учитывая примеси, находящиеся в воде вашего источника.
Существует множество видов систем сорбционной очистки воды. Чтобы подобрать ту, что подходит именно вам, изучите все факторы, проведите лабораторные исследования воды. Установка оборудования для очищения воды тоже требует специальных знаний. Поэтому ее должны выполнять профессионалы.
На российском рынке присутствует немало компаний, которые занимаются разработкой систем водоочистки. Самостоятельно, без помощи профессионала, выбрать тот или иной вид фильтра для воды довольно сложно. И уж тем более не стоит пытаться смонтировать систему водоочистки самостоятельно, даже если вы прочитали несколько статей в Интернете и вам кажется, что вы во всем разобрались.
Надежнее обратиться в компанию по установке фильтров, которая предоставляет полный спектр услуг – консультацию специалиста, анализ воды из скважины или колодца, подбор подходящего оборудования, доставку и подключение системы. Кроме того, важно, чтобы компания предоставляла и сервисное обслуживание фильтров.
Сотрудничая с «Biokit», вы получаете широчайший выбор систем обратного осмоса, фильтров для воды и многие другие устройства, предназначенные для очистки воды и возвращения ей естественных природных качеств.
Мы готовы вам помочь в данных направлениях:
Выбрать фильтр для воды.
Подключить систему фильтрации.
Подобрать сменные материалы.
Устранить неполадки в работе оборудования.
Привлечь специалистов-монтажников.
Дать телефонную консультацию по интересующим вопросам.
Доверьте очистку воды профессионалам компании «Biokit», которые заботятся о вашем здоровье.
Из физико-химических методов наиболее часто используется очистка с помощью адсорбентов органической и неорганической природы. Твердые сорбенты растительного происхождения - это опилки. Для повышения качественных характеристик древесных опилок их пропитывают расплавом. Для сорбции нефти и нефтепродуктов могут применяться такие вещества, как торф, торфяной мох, бурый уголь, кокс, рисовая шелуха, кукурузная лузга, древесные опилки, диатомовая земля, солома, сено, песок, резиновая крошка, активированный уголь, перлит, пемза, лигнин, тальк, снег (лед), меловой порошок, отходы текстильной промышленности, вермикулит, изопреновый каучук и некоторые другие материалы (табл. 5.3).
Существуют различные способы очистки загрязненного нефтепродуктами грунта с использованием сорбционных материалов. Например, если в качестве адсорбента используют гидрофобизованные отработавшем техническим маслом опилки, то методика очистки заключается в смешивании их с загрязненной нефтью почвой, заливке смеси водой и перемешивании. После того как загрязненные опилки всплывут, их удаляют с поверхности воды. При таком методе очистка грунта достигает 97-98 %. Для сбора пролитого масла или маслообразных продуктов можно использовать рыхлую или крупчатую снежную массу. Пролитое масло покрывают слоем снега высотой 2-3 см, слегка его утрамбовывают, чтобы улучшить контакт с маслом, дают снежной массе некоторое время для пропитки маслом, после чего ее перемешивают. Обработку масляного пятна ведут до тех пор, пока большая часть снежной массы им не пропитается, после чего собирают в отдельную емкость, нагревают и отделяют выделившееся масло.
Главным свойством сорбента, применяемого для очистки нефтезагрязненных объектов, является его гидрофобность. Такое свойство присуще, например, древесному углю и пиролитическим отходам целлюлозно-бумажной промышленности. При пиролизе отходов древесины на лесокомбинате «Балыклес» г. Нефтеюганска производят продукт «Илокор» с хорошими сорбционными свойствами в отношении углеводородов нефти. Он представляет собой полидисперсный порошок с размерами частиц 0,3-0,7 мм с сорбционной емкостью 8,0 -8,8 г нефти на 1 г сорбента. На основе данного препарата получены две его модификации: «Эколан» и «Илокор-био». Эти сорбенты обладают не только хорошими сорбционными свойствами, их применение способствует быстрому вое-
становлению любого типа нефтезагрязненных почв. Так, при внесении в почву, загрязненную нефтью 50 л/м 2 , препарата «Эколан» из расчета 20 кг/м" происходило практически полное восстановление почвенного плодородия. Для восстановления выщелоченных черноземов потребовалось 3-4 мес., а для серых лесостепных почв - 7-8 лет. При внесении в загрязненную почву препарата «Эколан» резко снижается токсичность почвы, вследствие эффективной сорбции легких фракций нефти.
Таблица 5.3
Сорбционные материалы для сбора нефти и нефтепродуктов
|
Сорбент |
Природа сорбента |
Весовое соотношение сорбента и загрязнителя |
|
Торф гранулированный |
Органическое вещество естественного происхождения |
|
|
Торф воздушно-сухой |
||
|
Торф (влажный) |
||
|
Сибсорбент-2 |
Специально обработанный |
|
|
Целлюлоза фирмы |
||
|
Соцветия тростника |
||
|
Мох влажный |
||
|
Г ранулы полиуретанового пенопласта |
Органическое вещество искусственного происхождения |
|
|
Изопреновый каучук |
Органическое вещество органического происхождения |
|
|
Карбамидный полимер |
||
|
Резиновая крошка |
Композиционный материал, включающий материал органической и неорганической природы |
|
|
Диатомовая земля |
Неорганическое вещество естественного происхождения |
|
|
Неорганическое вещество, прошедшее специальную подготовку |
||
|
Базальтовое волокно |
Неорганическое вещество естественного происхождения |
|
|
Древесный уголь |
Неорганическое вещество, полученное при сжигании древесины |
|
|
Суперсорбент |
Модифицированный пенополиуретан |
|
|
Модифицированный природный слоистый алюмосиликат |
||
|
«Иликор» |
Органическое вещество естественного происхождения, прошедшее специальную обработку |
|
|
Аэрофонтанное волокно |
Дешевый и экологически чистый препарат "Эконафт" был разработан фирмой "Инсгво". Расход этого вещества для обезвреживания нефгемас-лоотходов составляет 0,3-1,0 т на 1 т отходов в зависимости от степени загрязнения. После смешения препарата с загрязненной землей или другими нефтемаслоотходами процесс адсорбции завершается через ЗСМ10 мин. При этом утилизируемый материал приобретает вид гранул, прочный наружный слой которых герметизирует адсорбированные жидкие загрязнения и изолирует их тем самым от земли. Полученные гранулы не смачиваются водой, морозоустойчивы и стойки при хранении. Смешанные с землей гранулы могут быть использованы в качестве наполнителя в производстве строительных и дорожных материалов.
Для изготовления различных сорбентов широко используются материалы растительного происхождения. Американская фирма "СопуееГ производит армированный пластмассовой сеткой материал растительного происхождения, основой которого служит целлюлоза. Этот материал способен адсорбировать 10-15-кратное количество сырой нефти. Для удаления нефтепродуктов с водной поверхности применяют соцветия тростника. Их сорбционная способность - от 11 до 30 г нефти на 1 г тростниковых соцветий. В Англии разработан гидрофобный сорбент на основе специально обработанного древесного волокна, который выпускается в виде матов.
Оригинальный материал изготавливают из отходов целлюлозно-бумажной промышленности. В качестве сорбента предлагается использовать подвергнутое аэрофонтанной сушке волокно, представляющее собой объемную массу, состоящую из мельчайших волокон жгутовой свивки. Волокно получают путем переработки осадка сточных вод целлюлозно-бумажной промышленности. С этой целью частично их обезвоженный осадок измельчают и высушивают в фонтанной струе горячего (120-140 °С) воздуха до влажности 3-4 %. Коэффициент поглощения нефтепродуктов таким волокном составляет 4-5. Благодаря горячей обработке и присутствию каолина в составе сорбента жгутики волокна приобретают структурную стабильность и упругость, что позволяет легко распылять его по нефтезагрязненной поверхности, а наличие смолы придаст волокну гидрофобность и плавучесть. Сорбент распыляют по загрязненной поверхности почвы или водоема. Адсорбция нефтепродуктов происходит в течение 30-60 с. Пропитанное нефтью волокно легко собирается любым механическим способом, прессуется в брикеты и утилизируется.
К минеральным сорбентам относятся перлит, вермикулит, цеолит и др. Как правило, для улучшения сорбционных свойств их модифицируют. Обработанный кремнийорганическими соединениями перлит эффективно собирает нефть в концентрации от 6 до 9 г/г.
Базальтовое волокно при определенной модификации может применяться для сорбции нефти и нефтепродуктов. Сорбент получают механическим смешиванием базальтового волокна и кремнийорганических или органических гидрофобизирующих соединений при соотношении 85-98 и 2-15 масс. % соответственно. Базальтовое волокно имеет следующий химический состав, масс. %: 8Ю 2 49,5-50,5; ТЮ 2 1,1-1,6;
АЬОз 14,5-15,5; Na 2 0 + К 2 0 2,8-3,5; Fe 2 03 + FeO 14,3-15,3; S0 3 не более 0,3; CaO 8,5-9,5; MgO 4,8-5,6 и H 2 0 0,2. Исходное базальтовое волокно хорошо пропитывается водой (гидрофобность 0%) и имеет pH 3,4-5,17. По отношению к легким нефтепродуктам сорбционная емкость гидрофобизированного базальтового волокна достигает 50-60 г/г. Сорбент на основе базальтового волокна по сравнению с другими волокнистыми сорбентами обладает существенно большей сорбционной способностью, и, кроме того, он может быть использован многократно.
Разработаны методы обезвреживания нефти и нефтепродуктов путем их связывания и превращения в твердые образования. При введении в смесь портландцемента жидких и твердых углеводородов образуется состав, который затем подвергают сушке. При этом углеводороды оказываются как бы покрытыми слоем цемента, изолирующим данный состав от соприкосновения с окружающей средой. Далее происходит застывание цемента в форме, которая придается смеси на начальном этапе перемешивания.
К способам отверждения можно отнести также известкование - обработку нефтезагрязненных грунтов негашеной известью в количестве 0,5-5% от массы разлитого нефтепродукта, в результате чего образуется твердый продукт, прочно удерживающий нефтепродукты в виде сложных образований - комплексов. Предлагаемый Курским институтом экологической безопасности препарат «Эконафт» применяется для санации нефтезагрязненных почв и ликвидации аварий нефтепроводов . Он представляет собой порошок, состоящий из негашеной извести и «модификатора» и добавляемый в отходы в соотношении 1 - 1н-2 по объему. Технология использования «Эконафт» основана на свойствах минеральных сорбентов оксидов - магния, кальция и хрома, из которых состоит негашеная известь, при гашении увеличивать удельную поверхность в 15-30 раз и превращаться в объемное вяжущее вещество с высокой адсорбционной способностью относительно углеводородов нефти. Процесс гашения сопровождается выделением большого количества тепла, в результате чего, собственно, и происходит резкое увеличение удельной поверхности.
Гашеная известь, как известно, хорошо смачивается водой, что приводит к резкому сокращению или даже к исчезновению ее абсорбционной способности. Поэтому для придания гидроксиду кальция гидрофобных свойств в процессе гашения в реакционную смесь вводят специальные вещества - модификаторы. В препарате «Эконафт» таким модификатором является триглицерид - полный эфир глицерина и высших жирных кислот. При смешении с известью он реагирует с ионами кальция на поверхности минерального сорбента, в результате чего образуется новое соединение - мыло- триглицерид кальция. Закрепленный на поверхности он придает ей гидрофобные свойства и способность образовывать с углеводородами нефти прочные соединения.
Предложенная технология обезвреживания загрязненных грунтов с использованием препарата «Эконафт» заключается в смешивании отходов с негашеной известью с добавкой модификатора и обработке смеси водой. При этом образуются гидрооксиды щелочно-земельных металлов, порошок которых обладает гидрофобными свойствами. Нефтепродукты препаратом эффективно адсорбируются с получением сухого, стойкого при хранении однородного порошкообразного вещества «ПУН», представляющим собой гранулы, состоящие из нефтесодержащих отходов, заключенных в известковые оболочки - капсулы. Полученные гранулы не смачиваются водой, морозоустойчивы и стойки при хранении .
Еще одним способом отверждения является смешивание нефти и нефтепродуктов с известковой вяжущей пастой на водной основе. Полученную смесь формируют в блоки размеров, удобных для последующей транспортировки или захоронения, и выдерживают до затвердения, в результате чего достигается капсулирование экологически вредных веществ в твердой цементирующей массе. Для ускорения процесса отверждения и снижения расхода огвердителя в композиционную смесь добавляют нетоксичную окись хрома. Окись хрома, полученная при термическом разложении двухромовокислого аммония, рассыпается по поверхности отверждаемой жидкости. Благодаря сильно развитой структуре поверхности она поглощает нефть, нефтепродукты и растительные масла.
Среди обширного класса сорбентов наиболее эффективными для удаления с различных поверхностей органических загрязнителей являются искусственные сорбенты многоразового пользования с высокоразвитой открытой пористой структурой. К таким материалам относится, например, сорбент, созданный на основе карбамидного олигомера, специальным способом вспененного и превращенного в поропласт с высокоразвитой межфазной поверхностью. Он обладает отличными олеофильными свойствами и высокой сорбционной способностью: 1 г такого сорбента может поглощать до 60 г нефти и нефтепродуктов, а скорость сорбирования составляет от нескольких минут до 1-2 ч в зависимости от вязкости нефтепродукта. Из сорбента легко извлечь до 97 % собранных нефтепродуктов простым методом отжима.
В Сибирском институте химии нефти СО РАН (г. Томск) разработана технология получения высокоэффективных адсорбентов на основе ультрадисперсных порошков .
Адсорбенты на основе окиси алюминия имеют неравновесную кристаллическую структуру, развитую поверхность и способны эффективно и быстро адсорбировать из воды органические вещества, нефтепродукты, тяжелые металлы, радионуклиды, галогены и другие загрязнители. Кроме того, эти адсорбенты обладают способностью коагулировать и осаждать коллоидные частицы железа, неорганических примесеи и эмульсии органических веществ и нефтепродуктов в водной среде.
Твердые синтетические полимерные сорбенты (пенополиуретан, различные смолы) состоят из частиц, содержащих открытые поверхностные поры, способные удерживать углеводороды и закрытые внутренние поры, придающие частицам хорошую плавучесть. Такие сорбенты не поглощают воду, но способны поглотить 2-5-кратный объем углеводородов. На некоторых предприятиях США для удаления нефти с поверхности воды используют хлопья полиуретановой пены, которая в дальнейшем собирается и отжимается с помощью специального устройства.
Хорошими сорбционными свойствами обладают такие полимерные материалы, как вспененные полистирольные гранулы или фенолформальдегидная стружка. Одним из лучших материалов в сорбции нефти является препарат «Пламилод», который представляет собой специально изготовленную пластмассу. Данный материал может впитать в себя до 1 т нефти на 40-130 кг собственного веса .
В последнее время для очистки природных сред все большее применение находят природные сорбенты естественного происхождения, такие как бентонитовые глины, цеолиты, шунгизиты и другие глинистые породы, которые обладают достаточно высокой сорбционной емкостью, катиоонообменными свойствами, сравнительно низкой стоимостью и доступностью, как местного материала. Значительно расширяет область применения местных природных сорбентов тот факт, что можно получать различные модификации вышеназванных сорбентов или их композиции для того, чтобы целенаправленно использовать их непосредственно в регионе.
В качестве сорбентов практически могут служить все мелкодисперсные и пористые природные твердые вещества, имеющие развитую поверхность.
Обычно природные адсорбенты имеют недостатки, к числу которых относят нелинейность изотерм и низкую каталитическую активность. Поэтому их модифицируют, применяя один из следующих способов: обработку водой, растворами кислот, щелочей и неорганических солей, связывание гидроксильных групп хлорсиланами или другими веществами, нанесением на поверхность нелетучих органических жидкостей, получение коллоидных систем и нанесением пыли адсорбента на инертный носитель.
С 1828 года минералогам известен минерал глауконит, однако данные о его происхождении появились значительно позднее. Образуется он на дне морей, на границе между окислительной и восстановительной зоной, как нормальный химический осадок, выпадающий в виде геля. О положительном эффекте при использовании глауконитов для повышения урожайности сельскохозяйственных культур в конце XIX века писали А.Н. Энгельгардт, В.А. Азимов, А.В. Ключарев и академики П.А. Григорьев и Д.Н. Прянишников. Впервые химический состав и условия образования глауконита осадочного происхождения был подробно изучен известным русским почвоведом К.Д. Глинкой в 1896 году.
Глауконит широко распространенный в природе минерал, общие ресурсы которого оцениваются в 35,7 млрд тонн. Россия обладает значительными ресурсами глауконитсодержаицих пород, наиболее крупные скопления приурочены к отложениям третичного периода и мезозойской эры. Наиболее перспективными считают запасы глауконитов в Центрально-европейской части, Калининградской области, Приазовье, Поволжье, на Южном Урале и Зауралье. Крупные месторождения глауконита обнаружены в Челябинской области.
Глауконит - глинистый минерал переменного состава с высоким содержанием двух- и трехвалентного железа, кальция, магния, калия, фосфора, а также содержит более двадцати микроэлементов, среди которых - медь, серебро, никель, кобальт, марганец, цинк, молибден, мышьяк, хром, олово, бериллий, камдий и другие. Все они находятся в легко извлекаемой форме сменных катионов, которые замещаются находящимися в избытке в окружаемой среде элементами. Этим свойством, а также слоистой структурой, объясняются высокие сорбционные свойства по отношению к нефтепродуктам, тяжелым металлам, радионуклидам. В то же время для глауконита характерен низкий процент десорбции (удаление из жидкостей или твердых тел веществ, поглощенных при адсорбции или абсорбции) и пролонгированное действие, высокая теплоемкость, пластичность и пр. структурная решетка глауконита представлена на рис. 5.3.
Глаукониты благодаря своим специфическим свойствам (наличию красящих окислов, активных катионов, слоистой структуре) используются для очистки питьевой и оборотной воды, восстановления почв, очистки сточных вод, улавливании газов, устранения запахов, нейтрализации разливов нефтепродуктов, сорбции тяжелых металлов, радионуклидов и токсикантов.
Глауконит соответствует техническим условиям ТУ-2164-003-45670985-05. В табл. 5.4 представлены физико-химические свойства глауконита. Глауконит по содержанию тяжелых металлов и радионуклидов должен соответствовать требованиям, представленным в табл. 5.5.
Таблица 5.4
Физико-химические свойства глауконита_
Глауконит предназначается для использования в качестве сорбента тяжелых металлов, радионуклидов и нефтепродуктов, при очистке сточных и оборотных вод, почв, подвергающихся техногенному загрязнению, в том числе обочин автодорог, скверов и газонов, расположенных вблизи городских автомагистралей с интенсивным движением автотранспорта; предприятий нефтеперерабатывающей промышленности, нефтеперекачивающих станций, АЗС, авторемонтных комплексов. Нор-
мы внесения глауконита в качестве сорбента зависят от уровня и площади загрязнений, а также от степени его обогащения.
Таблица 5.5
Требования к глауконитам по содержанию радионуклидов и тяжелых металлов
Глауконит относится к группе малотоксичных веществ четвертого класса опасности. По пожарным свойствам глауконит относится к группе негорючих и невзрывчатых веществ.
Особое место среди сорбентов, используемых для снижения концентрации нефтепродуктов, занимают глины и их модификации. Глины являются неорганическими ионообменниками. Это их свойство играет огромную роль в плодородии почвы, а также в движении в почве таких загрязнителей, как, например, тяжелые металлы или ионные пестициды.
Поскольку глинистая фракция большинства почв в силу высокой удельной поверхности с многочисленными активными центрами на ней фактически определяет свойства почвы, используемые в сельском хозяйстве. Кроме того, именно глинистой фракцией почв определяются буферные свойства почвы. Особые свойства глин, относящихся к группе смектитов, оказались чрезвычайно полезными в технологиях восстановления почв и отверждения опасных отходов, которые очистить стандартными технологиями не представляется возможным. Преобладающими минералами в глинистой фракции почв являются алюмосиликаты.
С середины 1980-х гг. для технологии восстановления объектов окружающей среды начали использовать модифицированные глины, или, как их называют чаще, органоглины. Они получаются обработкой природных глин четвертичными аминами, т.е. алкиламмониевыми солями. Органически модифицированные глины, или органоглины, состоят из бентонита, модифицированного солями четвертичного амина, например, хлоридами диметилдиалкил аммония. Главным компонентом бентонита является глинистый минерал монтмориллонит. Он имеет катионообменную емкость 75-90 мэкв/100 г. Аммонийная функциональная группа с атомом азота в четвертичном амине, которая имеет поло-
жительныи заряд, замещает на поверхности глины ионы натрия и кальция. В процессе приготовления органоглины замещенные ионы натрия и кальция вместе с высвобождающимися хлорид-ионами из молекул исходного четвертичного амина отмываются - переходят в раствор. После этой операции образовавшаяся модифицированная глина действует как неионногенное поверхностно-активное вещество, активно захватывающее неполярные молекулы нефти, масел и других плохо растворимых органических соединений.
Для удаления из воды растворимых органических соединений часто используют активированный уголь. Однако содержащиеся в сильно загрязненной воде капли нефти или масел закрывают поры активированного угля, и он перестает «работать». Применение органоглин предотвращает закрывание пор на частицах активированного угля.
Если удаление нефти является главной целью применения органоглины, то глина гранулируется, а затем смешивается антрацитом, играющим в данном случае роль активированного угля.
Использование модифицированных глин в качестве добавок к цементирующим связкам позволяет иммобилизовать нефтепродукты и ароматические соединения, часто присутствующие в отходах многих типов, в том числе в загрязненных почвах.
В Республике Татарстан находится Биклянское месторождение бентонитовых глин, которые можно использовать в качестве сорбентов для рекультивации загрязненных нефтепродуктами земель. В связи с этим, были проведены исследования по разработке эффективного метода активации бентонитовых глин с целью улучшения их сорбционных свойств, в частности, исследована возможность повышения поглотительной способности природных сорбентов на примере шунгита и бентонита при обработке природным высокомолекулярным соединением -картофельным крахмалом.
Модификацию природных сорбентов проводили раствором щелочного крахмала. Процесс модификации состоял из двух этапов: приготовления модификатора и непосредственно модификация сорбентов. На первой стадии крахмал смешивали с 7% раствором КОН при комнатной температуре и после кипячения охлаждали.
Сорбенты предварительно измельчали, а затем смешивали при комнатной температуре в различных соотношениях с предварительно приготовленным раствором модификатора. Модифицированный природный сорбент отделяли от воды вакуум-фильтрацией.
В полученных модифицированных сорбентах определяли сорбционную емкость и площадь их поглотительной поверхности (табл. 5.6).
Эффективность сорбции зависит от величины поверхности взаимодействия. Основной характеристикой сорбционной способности материала является «емкость» сорбента - определенное количество тех или иных загрязнителей, которые могут быть поглощены данным количеством сорбента.
Введение крахмала в шунгит сначала приводит к увеличению сорбционной емкости сорбента. При введении 4х10" 3 мг/г крахмала сорбционная емкость увеличивается примерно на 12%, а затем, при дальнейшем увеличении содержания полимера падает до исходного значения. Таким образом, модификация шунгита практически не приводила к заметному увеличению сорбционной емкости сорбента.
Таблица 5.6
Изменение сорбционных характеристик сорбентов_
При модификации глакоунита изменение сорбционной емкости происходит в пределах 29%. При увеличении концентрации крахмала в растворе до 1 Ох 10" 3 мг/г сорбционная емкость глакоунита возрастает; при дальнейшем его увеличении наблюдается незначительный ее спад.
Модифицирование бентонита приводит совсем к другой закономерности. С ростом концентрации крахмала наблюдается устойчивое возрастание сорбционной емкости. Максимальные значения 113,88 мг-экв/100г были достигнуты при обработке бентонита щелочным раствором при содержании 8 х 10" 3 мг/г крахмала. Таким образом, увеличение сорбционной емкости модифицированного бентонита относительно не модифицированного составило 2,6 раза.
Среди существующих методов водоочистки сорбционный способ является одним из самых распространенных. Что это такое сорбционная очистка воды , и для чего она нужна? Данная процедура относится к эффективным способам глубокой очистки жидкости, позволяющим убрать вредные примеси и химические соединения посредством связывания частиц на молекулярном уровне. Уникальность такой фильтрации состоит в возможности удалить из воды органику, не поддающуюся отделению другим образом.
Сорбционный метод очистки воды с использованием высокоактивных сорбентов позволяет получить жидкость, в которой почти нет остаточного концентрата. Высокая активность сорбентов делает возможным взаимодействие с веществами, независимо от их концентрации: даже при малых дозах вредных примесей этот способ будет работать.
Понятие адсорбции и ее эффективность
Термин «адсорбция» означает процесс поглощения загрязнителей в воде поверхностью твердых тел. В его основе лежит принцип пропускания молекул таких примесей через особую пленку, окружающую адсорбент, и их притягивание к его поверхности. Вышеназванный процесс происходит, если жидкость для очистки перемешивается.
Наибольшего эффекта такой способ позволяет добиться при малой концентрации вредных веществ, что наблюдается в случае сильной очистки. Все, что не осело на предыдущих фильтрах, удаляется сорбцией, при этом на выходе получается чистая вода.
Скорость процесса и его эффективность зависят от ряда факторов:
- Структуры сорбента.
- Температуры.
- Концентрации загрязнителя и его состава.
- Активности реакции среды.
При современных установках лучшим вариантом сорбента, эффективно очищающим воду, признается активированный уголь разных типов. Чем больше данное вещество имеет микропор, тем выше качество очистки воды методом угольной сорбции.
Специалисты компании «Русватер» помогут подобрать оптимальный вариант фильтрующих установок, работающих по принципу сорбции, что даст возможность организовать эффективную водоподготовку и очистку воды от различных примесей, независимо от ее назначения.
Фильтрация воды через активированный уголь должна исключать попадание на сорбент жидкости с растворенными взвесями и коллоидными частицами, так как они портят поверхность угля, экранируя его поры. Сорбент, пришедший в негодность из-за такого воздействия, восстанавливают либо меняют.
Для дехлорирования воды применяются сорбционные фильтры на основе активированного угля, делающие воду лучше, а также позволяющие очистить ее от азотистых включений. Совместное использование сорбции и озонирования в разы усиливает действенность очистки с одновременным повышением возможностей активированного угля. При использовании в роли сорбента природных минералов с Ca и Mg, а также окислов алюминия, из воды удаляются соединения фосфора.
Для чего нужна сорбция и где она используется?
Фильтрация воды углем с помощью сорбционных установок различного типа применяется для глубокой очистки жидкости в замкнутых системах, включая очистку канализационных стоков от органики.
Среди существующих методик тонкой очистки сорбция признается одним из наиболее эффективных способов, позволяющим удалить из воды органические вещества без значительных затрат. Технология пользуется популярностью в случаях необходимости очистить стоки от красителей, а также убрать иные гидрофобные соединения.
Данный способ не подходит, если в стоках присутствуют только неорганические загрязнители либо растворенная в них органика имеет низкомолекулярную структуру. Сорбция может применяться в комплексе с биологической очисткой или выступать самостоятельным средством.
Сорбционная очистка воды позволяет освободить жидкость от привкуса сероводорода и хлора и убрать неприятные запахи. Эффективность использования активированного угля в роли сорбента объясняется его структурой: фильтрацию выполняют имеющиеся микропоры. Получают активированный уголь из древесины, торфа, продуктов животного происхождения либо ореховых скорлупок. Нанесение на поверхность активированного угля частиц ионов серебра защищает материал от поражения разного рода микроорганизмами.
В большинстве случаев активированный уголь применяют для очистки воды от органики и для проведения процесса водоподготовки перед обратным осмосом. Сорбция позволяет эффективно убрать из воды хлор, улучшив ее качества. При этом таким методом хлор удаляется также для подготовки технической воды, применяемой для гигиенических целей.
Наши системы угольной очистки
Не менее востребованы сорбционные фильтры в общей системе обезжелезивания. Сорбционная очистка воды от железа необходима для удаления его твердых частиц после окисления до нерастворимых оксидов.
Системы сорбционной очистки могут быть разными. Выбор конкретного варианта происходит после проведения анализа воды и установления содержащихся в ней примесей. Такая работа должна проводиться профессионалами, поэтому наши специалисты всегда готовы помочь вам в этом.
Выбор сорбентов . Ассортимент сорбентов для предварительной очистки воды, выпускаемых промышленностью, весьма разнообразен. Для очистки воды от органических веществ используют активированные угли, гелевые и макропористые аниониты и др. Активированные угли обладают замедленной кинетикой сорбции из растворов, что требует больших площадей фильтрации, плохой регенерируем остью с помощью реагентов (остаточная емкость после первой регенерации значительно меньше половины исходной), механической непрочностью, высокой зольностью.
Аниониты, особенно макропористые, свободны от многих перечисленных недостатков. Первичный выбор лучших из них проводят в статических условиях при контакте сорбентов с модельными растворами или с данной водой в течение часа.
После отбора лучших образцов (в данном случае ими оказались отечественные сорбенты полимеризационного типа АВ-171 и конденсационного типа ИА-1) проводят кинетические исследования. Их целью является определение характера стадии, лимитирующей процесс, нахождение коэффициентов диффузии и времени установления равновесия. Стадию, лимитирующую процесс, определяют по следующему признаку: если перемешивание раствора способствует ускорению сорбции, это свидетельствует о преимущественном влиянии внешней диффузии; прямое доказательство внутридиффузионного механизма дает опыт с «прерыванием». Если после перерыва возобновить сорбционный процесс и сорбционная активность твердой фазы возрастет, можно с уверенностью говорить о внутридиффузионном характере процесса.
Сорбция гумусовых веществ . Внутридиффузионная кинетика, по данным, лимитирует сорбцию гумусовых веществ, т. е. сорбционную предварительную очистку воды.
Анализ этого уравнения показывает, что потеря защитного действия, выраженная в линейных или объемных единицах сорбента, тем больше (а рабочий период колонки тем меньше), чем больше скорость потока, радиус зерен сорбента и заданная глубина очистки.
Из кинетических опытов определяют коэффициенты диффузии и время установления равновесия в системах ионит-раствор и строят изотермы сорбции. Изотермы сорбции гуминовых и фульвокислот анионитами ИА-1 и АВ-171 описываются уравнением Ленгмюра.
В работах сопоставлены результаты экспериментального определения сорбционнои емкости до проскока гумусовых веществ с сорбционной ёмкостью, рассчитанной по уравнениям; расхождения не превышают 10-15%. Изменяя скорость потока, глубину очистки, радиус зерна сорбента и сам сорбент, можно определить потерю времени защитного действия колонны для каждого варианта. В то же время следует помнить, что это возлагает очень большую ответственность на точность определения коэффициентов диффузии и равновесия в системах сорбент - раствор, дающих исходные данные для расчета динамики сорбции.
Итак, наилучшим сорбентом для предварительной очистки воды оказался макропористый анионит ИА-1, работающий в хлор-форме, при рН очищаемого раствора, равном 3,0-3,5. Что касается размера зерен, его выбор ограничен характером дренажной системы и желательной скоростью пропускания воды.
В природных водах присутствуют гуминовые и фульвокислоты. Первые сорбируются хуже, и их «проскок» практически лимитирует процесс очистки. Поэтому величину следует рассчитывать по содержанию в очищаемой воде гуминовых кислот. Если после коагуляционной очистки они отсутствуют, рабочий период сорбционной колонны рассчитывают по содержанию в воде фульвокислот.
То обстоятельство, что сорбция слабодиссоциирующих гуминовой и фульвокислот идет лучше в кислой среде и на анионите в солевой форме, указывает на неионообменный механизм поглощения этих веществ и подсказывает экономически и технологически выгодную схему предварительной очистки воды. Сорбционную колонну с ионитом ИА-1 следует устанавливать после катионита в Н-форме и следующего за ним декарбонизатора. Это освобождает от необходимости подкислять воду, так как она подкисляется самопроизвольно при катионировании. Таким образом, сорбционная колонна становится составной частью обессоливающей установки. При совмещении коагуляционной очистки с сорбционной вода на 80-85% освобождается от органических примесей. Дальнейшая, более глубокая очистка воды от органических примесей проводится на ионитах обессоливающей части установки.
Извлечение других органических веществ . Поверхностные и артезианские воды содержат органические вещества, относящиеся к различным классам соединений. Установлено, что такие вещества, как сахара, белковоподобные вещества, аминокислоты проходят через систему ионитовых колонн и попадают в глубокообессоленную воду. Причем их количество зависит от состава исходной воды и значительно превышает содержание минеральных примесей. Максимальное извлечение этих веществ из воды в ходе ее предварительной очистки сорбционным методом является необходимым.
В работе сопоставлена способность некоторых активированных углей и макропористых анионитов сорбировать различные аналитически определяемые органические соединения, растворенные в природных водах. Для этого через слой сорбента высотой 60 см со скоростью 7 м/ч пропускали по 100 объемов речных вод после их Н-катионирования, создающего наиболее благоприятные условия для сорбции.
Фульвокислоты извлекаются лучше смолами, чем углями, причем емкости ионообменников по фульвокислотам практически одинаковы. Но и в этом случае применение ионита ИА-1 целесообразнее, так как он регенерируется легче и с меньшими расходами реагентов.
Второй очень значительной группой соединений, которые, попадая в глубокообессоленную воду, могут влиять на ее удельное электрическое сопротивление, являются карбоновые кислоты. Для их сорбции наиболее пригодны уголь СКТ-ВТУ-2 и анионит АВ-171. Из этих двух сорбентов предпочтение, безусловно, следует отдать иониту, так как его емкость может быть восстановлена химическими реагентами. Для удаления простых и сложных аминокислот также следует применять анионит АВ-171.
Простые и сложные сахара, не влияющие на удельное электрическое сопротивление, обессоленной воды, в значительной степени сорбируются только углем БАУ. Поэтому при выборе сорбентов для очистки воды следует руководствоваться не только величиной их емкости и возможностью ее восстановления, но и необходимостью удаления из воды того или иного соединения.
Для ориентировочной оценки распределения органических веществ в слоях указанных сорбентов были сняты соответствующие выходные кривые. Загрузка ионитов в хлор-форме равнялась 1 л при высоте слоя 60 см; скорость протекания раствора 10 м/ч.
Фильтрат для анализа отбирали непрерывно фракциями по 10 л каждая. Продолжительность рабочего периода колонны выбрана равной 200 приведенным объемам; рН пропускаемой воды создавали предварительным катионироваиием исходной воды. Применяя различные сорбенты и их сочетания, можно удалить значительную часть органических веществ, растворенных в воде. Однако получить воду, полностью освобожденную от органических веществ с помощью перечисленного набора средств, вряд ли возможно.
Содержание и соотношение таких органических неэлектролитов, как сахара, белки, эфиры и т. п., изменяются не только от одной географической зоны к другой, но и в пределах одного региона. Поэтому нельзя ожидать, что при одинаковых технологических схемах и режимах деминерализации обессоленные воды будут совпадать по количественному и качественному содержанию органических веществ. В связи с этим следует относиться с осторожностью к попыткам нормирования сухого остатка высокоомной воды без учета состава исходной.
Удаление железа (обезжелезивание) . Железистыми называют воды, содержащие более 1 мг/л железа. Катионит сорбирует ионы двухвалентного железа примерно так же, как и ионы кальция, а ионы трехвалентного железа - еще более эффективно. Можно было ожидать, что при ионообменном обессоливании вода будет одновременно и «обезжелезиваться». Этому процессу мешают, однако, некоторые физико-химические особенности соединении железа, присутствующих в природных водах.
В открытых водоемах, хорошо аэрируемых, значительная часть железа находится в виде соединений Fe разной степени гидролизованности.
При коагуляционной и последующей сорбционной очистках вода освобождается не только от окрашенных (главным образом, гумусовых соединений), но и от коллоидных и комплексных форм железа. Таким образом, очистка от органических веществ является одновременно актом обезжелезивания воды.
Предприятиям, потребляющим особо чистую обессоленную воду, рекомендуется всюду (где возможно) получать ее из подземных вод, свободных, как правило, от органических загрязнений. Известно, что более 25% всех водопроводов получают подземную воду с содержанием железа от 1 до 5 мг/л.
В подземных водах, лишенных кислорода, железо большей частью находится в форме раствора бикарбоната частично гидролизованного. Если бы это вещество поступало на катионит в неокисленном и негидролизованном виде или не окислялось бы в самом катионитовом фильтре, можно было бы ожидать практически полного обмена ионов железа на ионы водорода. Однако наряду с реакцией ионного обмена, скорость которой определяется диффузионными процессами, идут реакции гидролиза солей железа, окисления и перехода в слабодиссоциирующие и практически нерастворимые соединения, способные к образованию коллоидов. Совокупность таких процессов приводит к тому, что вода, содержащая, например, в равновесном состоянии 0,16 мг/л железа в ионной форме, может характеризоваться общим содержанием железа на уровне 2 мг/л. Катионит же поглотит только ионную форму железа и растворит с поглощением часть наименее стойких продуктов гидролиза.
Выделение ионов водорода при работе катионита могло бы сдерживать реакцию и даже сдвигать ее влево, тем более, что количество ионов водорода в Н-катионированной воде определяется общим содержанием солей, которое практически на два порядка больше количества ионов железа в воде.
По мере срабатывания верхних слоев катионита два обстоятельства будут способствовать сдвигу реакции вправо: наличие в слое ионов Fe(II), каталитически ускоряющих их превращение в ионы Fe(III), и частичное поглощение катионитом ионов водорода, обменивающихся на ионы натрия и кальция, которыми заполнен отработанный слой смолы. Образующиеся в этих условиях гидроксид Fe(III) и другие продукты гидролиза уже не будут участвовать в ионном обмене и транзитом пройдут в Н-катионированную воду, так же, как и та часть подобных соединений железа, которая присутствовала в исходной воде.
Количественное описание этих процессов пока затруднительно. В то же время присутствие железа в неионной форме в Н-катионированной и обессоленной водах удовлетворительно объясняется предложенной концепцией и свидетельствует о необходимости удаления железа из железистых подземных вод перед их подачей на обессоливающую ионообменную установку. Приведенное выше уравнение подсказывает основные пути удаления железа из воды. Это аэрация (насыщение кислородом) и подщелачивание (связывание ионов водорода). В бикарбонатных водах последнее проходит самопроизвольно с выделением стехиометрического количества диоксида углерода. Аэрацию можно проводить продувкой воздухом, разбрызгиванием воды в воздухе или подачей озона; в качестве других окислителей можно использовать активный хлор, перманганат калия. Под действием окислителей иониты «стареют», поэтому желательно проводить обезжелезивание безреагентным методом.
Удалению железа из подземных вод посвящена монография, в которой обобщены как теоретические, так и технологические аспекты проблемы. Учитывая специфику получения сравнительно небольших объемов особо чистой обессоленной воды для производственных иужд и специфику самих производств, потребляющих такую воду, следует остановиться на методе упрощенной аэрации с последующим фильтрованием.
Над открытым фильтром через отверстия в подающих трубах разбрызгивается вода. Толщина слоя песка в фильтре обычно не менее 1,2 м, а размер зерен от 0,8 до 1,6 мм. Большей грязеемкостью отличаются фильтры с двухслойной загрузкой общей толщиной 1,2-1,5 м и толщиной верхнего слоя 0,5 м. Для нижнего слоя используют кварцевый песок размером зерен 0,8-1,2 мм, а для верхнего - антрацитовую крошку размером 0,9-2,4 мм. Скорость фильтрования иа открытых фильтрах достигает 10 м/ч. Как правило, с уменьшением скорости пропускания воды грязеемкость фильтров повышается, и поэтому открытые фильтры надо рассчитывать на скорость, не превышающую 5-7 м/ч.
В зависимости от принятой скорости фильтрования, исходного содержания железа в воде и других факторов, продолжительность работы фильтров, естественно, различна. При скорости фильтрования 5-7 м/ч и исходном содержании железа в воде 3-4 мг/л цикл работы установки 60-100 ч. После этого фильтры промывают противотоком интенсивностью 15-18 л/(с-м2) в течение 10-15 мин.
Объем промывных вод для фильтров на участке обезжелезивания воды достигает 4% от объема очищенной воды. Когда работа обезжелезивающей установки данного типа хорошо отлажена, содержание железа в фильтрате составляет 0,05-0,1 мг/л.
В отличие от дистиллята, содержащего до 5 мкг/л железа, технический конденсат бывает обогащен продуктами коррозии. При получении из такого конденсата особо чистой обессоленной воды необходимо предварительное обезжелезивание. Для этого используют сульфоугольные фильтры, работающие с эффективностью 25-50%, или более эффективные магнетитовые фильтры, намывные целлюлозные фильтры, намывные ионитовые фильтры (носящие за рубежом название powdex). Предложены анионитовые фильтры, где удаление железа основано на коагулирующем действии анионита в ОН-форме. Намывные ионитовые фильтры работают с эффективностью, приближающейся к 100% за счет практически мгновенной кинетики процесса. Здесь наряду с сорбцией ионов из жидкой фазы происходит механическое задержание частиц твердой фазы, коагуляция и образование комплексов с анионитом, если для намывного слоя берут смесь катионов и анионообменников.
Опыты показали пригодность намывных ионитовых фильтров для извлечения из воды гумусовых веществ, комплексующих железо и другие металлы.
Острота проблемы обезжелезивания как этапа предварительной очистки воды особенно выявилась в связи с необходимостью использования ультрачистой воды для производств микроэлектроники. Для финишной очистки воды перед ее подачей на отмывку деталей приборов используют микрофильтр с порами 0,2 мкм, задерживающий микробные тела. Если из обессоленной воды недостаточно удалено железо на предшествующих этапах, то микрофильтры быстро забиваются.
Умягчение воды. При частичном обессоливании воды электродиализным методом или с помощью обратного осмоса в ряде случаев необходимо предварительно умягчить воду, т. е. освободить ее от катионов кальция и магния, способных при соответствующем анионном составе воды образовывать осадки на ионитных мембранах или на мембранах (волокнах), используемых в аппаратах обратного осмоса.
Умягчение как этап предварительной очистки при обессоливании относительно небольших масс воды целесообразно проводить ионообменным способом. Регенерация катионита, т. е. перевод его в натриевую форму, проводится пропусканием через отработавший слой сорбента 6-10%-ного раствора хлорида натрия и последующей отмывкой водой.
По причинам, которые будут рассмотрены ниже, расход поваренной соли для регенерации превышает стехиометрический в 2,5-5 раз. При работе с водой, имеющей высокое содержание солей, для умягчения целесообразно использовать сильнокислотный катионит типа КУ-2. При этом по сравнению с такими катионнообменниками, как сульфоуголь или КУ-1, довольно значительно сокращается расход соли на регенерацию.
