Сорбционная очистка питьевой воды. Сорбция (очистка сточных вод)

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.

Под сорбцией в общем случае понимают процессы поверхностного (адсорбция) и объемного (абсорбция) поглощения вещества на границе раздела двух фаз: твердой и жидкой, твердой и газообразной, жидкой и газообразной. Сорбционные процессы играют важную роль в современной технологии полупроводников и диэлектриков, поскольку позволяют разделять вещества с очень близкими физико-химическими свойствами (редкоземельные элементы, такие металлы, как цирконий и гафний, и т.д.).

Адсорбционная система состоит из адсорбента - вещества, на поверхности которого происходит поглощение, и адсорбата - вещества, молекулы которого поглощаются. По природе процессов различают физическую и химическую адсорбцию. При физической адсорбции молекулы адсорбата не вступают в химическое взаимодействие с адсорбентом и, таким образом, сохраняют свою индивидуальность на поверхности поглотителя; адсорбция в этом случае обусловлена действием сил Ван-дер-Ваальса. При химической адсорбции, или хемисорбции адсорбируемые молекулы вступают в химическую реакцию с адсорбентом с образованием на поверхности химических соединений. Обратный процесс - процесс удаления молекул с поверхности адсорбента называют десорбцией. Физическая адсорбция в отличие от хемисорбции обратима. Процесс десорбции также можно использовать как метод очистки. Адсорбция является избирательным процессом, т.е. на поверхности адсорбента адсорбируются только те вещества, которые понижают свободную энергию поверхностного слоя, или, другими словами, понижают поверхностное натяжение относительно окружающей среды. Таким образом, используя различную адсорбционную способность веществ, находящихся, например, в растворе, можно осуществить их разделение и очистку, поглотив одно из них адсорбентом и оставив другое в растворе. Количественной характеристикой адсорбционной системы является изотерма адсорбции. Она выражает связь между концентрацией вещества С в растворе и его количеством C s , адсорбированным единицей поверхности адсорбента при постоянной температуре в условиях адсорбционного равновесия. 1. Поверхность адсорбента имеет ограниченное число независимых адсорбционных мест, причем каждое место может адсорбировать только одну молекулу.

2. . МОС-гидридная эпитаксия полупроводников.

С помощью МОС-технологии может выращиваться большинство полупроводниковых соединений A 3 B 5 , A 2 B 6 и A 4 B 6 . В случае роста соединений A 3 B 5 вместо металлоорганических соединений элементов пятой группы могут использоваться гидриды соответствующих элементов. В этом случае принято использовать термин МОС-гидридная технология. Некоторые металлоорганические соединения: Ga(CH 3) 3 – триметилгаллий (ТМГ), Ga(C 2 H 5) 3 – триэтилгаллий (ТЭГ), In(CH 3) 3 – триметилиндий (ТМИ), In(C 2 H 5) 3 – триэтилиндий (ТЭИ), Al(CH 3) 3 – триметилалюминий (ТМА) (в общем виде – MR3, где M – металл, R 3 – (CH 3) или (C 2 H 5) – алкил). Гидриды: AsH 3 – арсин, PH 3 – фосфин.

Схематическое описание процессов при МОС-гидридной эпитаксии показано на рис. 2. Реакция происходит в газовом потоке при атмосферном или пониженном давлении в реакторе с холодными стенками. Газом-носителем обычно является водород. Отдельные стадии полной реакции имеют место уже в газовой фазе. Заключительные стадии и встраивание в решетку происходят на поверхности полупроводника. Типичные реакторы позволяют подключать несколько металлоорганических и гидридных источников, поэтому в едином ростовом цикле могут быть последовательно выращены чередующиеся слои разных материалов. Это дает возможность получать многослойные многокомпонентные эпитаксиальные структуры.

В технологическом процессе эпитаксии из металлоорганических соединений не участвуют травящие вещества, процесс роста при этом не является результатом конкуренции между осаждением и травлением, как в некоторых других методах эпитаксии из парогазовой фазы. Как следствие, обеспечиваются резкие границы между слоями, однородность растущих слоев по толщине и составу.

МОС-гидридная эпитаксия - самая простая из всех технологий получения эпитаксиальных слоев соединений A III B V из газовой фазы. Суммарной реакцией образования соединений является реакция типа

Ga(CH 3) 3 +AsH 3 →GaAs (тв) +3CH 4 ,

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.

Сорбционные методы

Сорбционные методы основываются на поглощении радионуклидов твёрдой фазы по механизмам ионного обмена, адсорбции, кристаллизации и другие .

Сорбция проводится в динамических и статистических условиях. При динамической сорбции фильтрование исходных жидких отходов проводится непрерывно через сорбент, а при статической сорбции проводится временный контакт двух фаз при перемешивании с дальнейшим разделением .

Динамическая сорбция проводится в намывных или насыпных фильтрах. Отличие заключается в том, что в насыпных фильтрах применяют сорбенты в виде зернистого прочного материала; в намывных фильтрах же в качестве сорбента применяют неорганические и органические материалы искусственного и органического происхождения .

Для очистки жидких радиоактивных отходов от радионуклидов применяют сорбенты (иониты) таких типов, как КБ-51-7, КУ-2-8 (сильнокислый катионит), АВ-17-8 (сильноосновный анионит), АН-31 и АН-2ФН (слабоосновные аниониты), вермикулит. Сорбенты выпускают в виде гранул, которые пере применением замачивают в специальном растворе для активации. Все перечисленные сорбенты обладают высокими коэффициентами очистки и хорошими фильтрующими свойствами .

Ионообменные гетерогенные реакции обратимы, что позволяет осуществлять регенерацию сорбента, но обуславливает создание условий для вымывания радионуклидов при хранении отработанного сорбента. Обменная ёмкость сорбента почти вся используется на сорбцию макрокомпонентов - солей, из-за их схожести со свойствами микрокомпонентов. Тогда для того, чтобы протекала сорбция микрокомпонентов (радионуклидов), необходимо проводить предварительное обессоливание. Иначе это будет приводить к частым регенерациям сорбента и, следовательно, повышением стоимости очистки .

Жидкие радиоактивные отходы с высокой засолённостью невыгодно очищать органическими сорбентами из-за того, что при регенерации сорбента требуется 2-2,5 кратный избыток щёлочи и кислоты (идёт удорожание очистки) .

Ситуация предстаёт обратная для радионуклидов, у которых свойства отличны от свойств макрокомпонентов. Многовалентные радионуклиды хорошо сорбируются на катионите в присутствии натрий-ионов. Поэтому находящиеся в жидких радиоактивных отходах натрий-ионы не сорбируются, что приводит к заметному снижению объёмов регенератора, вторичных отходов и частоты регенерации .

Применение синтетических органических сорбентов позволяет удалить из жидких радиоактивных отходов всё радионуклиды в ионной форме. Но такие сорбенты имеют некоторые ограничения по применению, которые перерастают в серьёзные недостатки. При использовании таких сорбентов радионуклиды в молекулярной и коллоидной форме из жидких радиоактивных отходов не удаляются. Также если в жидких радиоактивных отходах имеются коллоиды или органические вещества с крупными молекулами, то сорбент теряет свои свойства и выходит из строя из-за забивки пор .

На практике перед проведением ионного обмена для удаления коллоидных частиц применяют фильтрование на намывных фильтрах. Применение же метода коагуляции вместо фильтрования приводит к образованию больших объёмов отходов. Органические соединения из жидких радиоактивных отходов удаляются ультрафильтрацией. Заметен один из главных недостатков применения ионного обмена для очистки жидких радиоактивных отходов - это необходимость проведения предварительной подготовки таких отходов .

Для очистки высокоактивных жидких отходов синтетические органические сорбенты не применяют в виду их неустойчивости к воздействию высокоактивного излучения. Такое воздействие приводит к разрушению сорбента .

Для обеспечения высокой степени очистки процесс ионообменной очистки проводят в два этапа. На первом этапе из жидких отходов удаляют соли и небольшие количества радионуклидов, а уже на втором этапе проводят непосредственное удаление нуклидов из обессоленных жидких отходов. Регенерацию сорбента проводят противотоком. Чтобы повысить производительность фильтров скорость в начале цикла устанавливается в (90ч100) м/ч, а в конце цикла снижается до значений в (10ч20) м/ч .

Очистка обессоленных отходов даёт возможность применять эффективные фильтры смешанного действия (их регенерация затруднена) и намывные фильтры в виду того, что при очистке таких отходов необходимость в регенерации минимальна. Благодаря смешенной загрузке анионитов и катионитов в формах Н + и ОН-, устраняется противоионный эффект, и это приводит к повышению степени очистки и возможности увеличения скорости фильтрования до 100 м/ч .

Все жидкие радиоактивные отходы содержат в том или ином количестве взвеси, которые обладают склонность к молекулярной и ионообменной сорбции. Также продукты коррозии с гидратированными окислами железа, марганца, кобальта и никеля могут сорбировать микрокомпоненты. В связи с этим предлагается отделять взвеси для заметного улучшения степени очистки жидких отходов .

Для удаления из отходов таких компонентов, как 137 Cs, 99 Sr, 60 Co, используют добавление селективных сорбента, в данном случае - наноглины (монтмориллонит), что обеспечивает 98% очистку от данных компонентов. Сорбцию на селективных компонентах проводят в сочетании с коагуляцией .

Химическое осаждение является одним из эффективных вариантов статической сорбции. К достоинствам химических методов можно отнести низкую стоимость, доступность реагентов, возможность удаления радиоактивных микрокомпонентов в ионной и коллоидной формах, а также переработки засоленных жидких отходов .

Главной особенностью химического осаждения является селективность к различным микрокомпонентам, особенно к 137 Cs, 106 Ru, 60 Co, 131 I, 90 Sr. Коагуляция и умягчение являются методами химического осаждения; при применении этих методов идёт очистка от радионуклидов в коллоидной, ионной и молекулярной формах .

При применении содово-известкового умягчения CaCO 3 и MgOH 2 выпадают в осадок и служат коллекторами для 90 Sr, который удаляется кристаллизацией с CaCO 3 . Также использование данного метода позволяет удалять 95 Zr и 95 Nb .

Цезий (137 Cs) удаляют при помощи осаждения ферроцианидов железа, никеля (самый эффективный), меди и цинка, при этом коэффициент очистки составляет 100 .

Рутений (106 Ru) и кобальт (60 Co) плохо концентрируются в осадках из-за большого количества их химических форм. Удаление рутения производится такими сорбентами, как сульфид кадмия, сульфид железа, сульфид свинца. Очистка от кобальта эффективна на оксигидратах хрома и марганца. Радиоактивный йод 131 I производится соосаждением иодидом меди или серебра .

Химическое осаждение завершается процедурами разделения фаз. При разделении фаз идёт осветление большей части жидких отходов и концентрирование шламов. Разделение фаз производится фильтрованием или воздействием на систему силовым полем, которое может быть гравитационным (отстойники и осветлители) и инерционным (центрифуги). Из-за образования больших объёмов пульп очень высокой влажности отстойники применяют крайне редко, используя для этого осветлители. Осветление в таких аппаратах идёт с большими скоростями и обеспечивает высокую степень очистки .

Для дальнейшего осветления жидкости проводят фильтрование. Применение насыпных фильтров обеспечивает более тонкое фильтрование, такие фильтры имеют большую производительность, а при их регенерации образуется небольшое количество отходов. Насыпные фильтры получили большее распространение из-за простоты и надёжности, не смотря на образование большого количества вторичных отходов при регенерации .

1

1. Тарасевич Ю.И. Природные сорбенты в процессах очистки воды. – Киев: Наукова Думка, 1989. – 292 с.

2. Руш Е.А. Экологические технологии: методы совершенствования технологий сорбционной очистки промышленных сточных вод // Инженерная экология. – 2005. –№ 4. – С. 11-28.

Показана возможность глубокой очистки сточных вод от загрязнителей железнодорожного транспорта с использованием метода адсорбции природным ресурсом - бентонитовой глиной.

Предприятия железнодорожного транспорта относятся к числу основных источников, которые сбросами сточных вод загрязняют различные объекты окружающей природной среды. К вредным компонентам, содержащимся в сточных водах локомотивных и вагонных депо, локомотивно-вагоноремонтных заводов, промывочно-пропарочных пунктов, гальванических, аккумуляторных и других цехов являются различные по природе взвешенные частицы, нефтепродукты, фенол, соли тяжелых металлов, ПАВ, лакокрасочные материалы, кислоты, щелочи. Такие сточные воды не могут направляться непосредственно на биологическую очистку, так как компоненты, содержащие в них токсичны для микроорганизмов «активного ила» централизованных биологических очистных сооружений городов, а также устойчивы к воздействию ферментов этих микроорганизмов. Для удаления токсичных и биохимически устойчивых веществ подобные сточные воды целесообразно подвергать локальной очистке. Если физико-химическая обработка таких промышленных сточных вод обеспечивает необходимый уровень очистки для их использования в качестве технической воды, то нет необходимости направлять их на дальнейшую биологическую очистку.

В современной технологии очистки сточных вод все большее значение приобретает сорбционный метод. Известно, что эффективность данного метода очистки зависит от физико-химической природы как адсорбента, так и сорбируемых веществ .

Ограниченность водных ресурсов в Казахстане и соображения технико-экономического характера приводят к необходимости применения оборота воды в системе водопользования. Необходимость использования сточных вод для хозяйственных и технических нужд заставляет искать пути и способы более тщательной очистки их от тонкодисперсных взвесей, коллоидных веществ, имеющих как неорганическую, так и органическую природу. Существующие способы очистки позволяют в отстойниках улавливать из воды крупные взвеси и в прудах тонкодисперсные взвеси, но однако снизить уровень опасных загрязняющих веществ, таких как тяжелые металлы невозможно до норм, предъявляемых к сточной воде при использовании ее в народном хозяйстве, в частности для орошения сельскохозяйственных полей. Это требует применения более совершенных способов ее очистки.

В связи с этим нами на основе результатов экспериментальных исследований для предприятий железнодорожной сети выбрана технологическая схема локальной установки для очистки сточных вод с использованием метода адсорбции природным ресурсом - щелочным бентонитом местного происхождения (месторождение «Ибата»).

Очистка сточных вод включает следующую последовательность операций: механическую очистку; накопление - усреднение; последовательная обработка бентонитовой глиной, отстаивание и фильтрация.

Производительность очистных сооружений, исходя из общего объема стоков, в т.ч. поверхностного, а также ритмичности и графика поступления, составляет 26-30 м3/ч и рассчитана на средний поток 27 м3/ч. Общая продолжительность работы очистных сооружений 24 ч/сут, из них 16 часов - для очистки основного стока и 8 часов - на очистку, в основном, поверхностного стока.

Ниже приводятся описание и результаты очистки стоков по операциям.

Накопление-усреднение. Перед поступлением в накопитель-усреднитель сточные воды из разных объектов предприятия проходят металлическую решетку площадью 3,0×2,0 м из стальных полос 40×10 мм с зазорами 16 мм при угле наклона к горизонту 60-70 °С. Скорость протока стоков не превышает 1 м3/с. Очистка решетки выполняется вручную или механическим образом. Затем очищаемые стоки поступают в накопитель - усреднитель, обеспечивающий равномерное поступление воды на дальнейшую очистку. При этом обеспечивается сглаживание состава (усреднение) по компонентам, имеющего значительные колебания как по объемам поступления, так и по составу.

Одновременно с усреднением в отстойнике-усреднителе происходит взаимодействие компонентов растворов с предварительной очисткой, частичное отстаивание загрязняющих веществ, т.е. осветление (табл. 1).

Таблица 1

Степень очистки и состав воды после отстаивания в отстойнике - усреднителе (продолжительность отстаивания 6 часов)

Загрязняющее вещество	Концентрация загрязнителя, мг/дм3	Количество загрязнителя, кг/сут	Степень очистки, %
Взвешенные вещества
Эфирорастворимые вещества Нефтепродукты
Железо общее
Краска (взвесь)
Сульфат-ионы
Хлорид-ионы
Карбонат-ионы
Фосфат-ионы
Силикат-ионы
Гидроксид-ионы

Взвеси, накапливающиеся в отстойнике в виде осадка представлены, в основном, компонентами, аналогичными составу загрязнителей поверхностного стока (песок, лессовые включения, компоненты почвы и др.). Основные компоненты - SiO2 до 70 %, соединения кальция - CaO .SiO2 - до 15 %, СаО.Al2O3 до 10 %, Ғе2O3 . nН2O до 0,5 %, гумусовые вещества - до 4,5 %.

В табл. 2 приведен гранулометрический состав взвеси до и после отстаивания в усреднителе - накопителе, а в табл. 3 состав осадка.

Таблица 2

Средний гранулометрический состав взвеси до и после отстаивания в накопителе-усреднителе (%)

Таблица 3

Качественный и количественный состав, образуемого осадка в отстойнике-усреднителе

Адсорбционно-ионообменная очистка сточных вод. Осветленная в отстойнике вода поступает в адсорбционную установку, состоящую из двух секций, где происходит ее основная очистка. Объем используемого бентонита 12 м3 или 21 т. Поглощающая емкость (способность) обеспечивает работу адсорбента-бентонита без замены в течение 3-6 месяцев. Поглощающая емкость адсорбента элементами и соединениями очищаемой воды до его замены составляет 1500-1600 кг. Общее количество загрузки, подлежащее замене и утилизации составляет около 22 тонн, влажность 8-10 %.

Как видно из данных табл. 4, представляющих результаты опытно-промышленной проверки технологии очистки сточных вод железнодорожных предприятий, частицы бентонитовой глины, которые имеют как положительные, так и отрицательные заряды на своей поверхности, являются универсальными осадителями дисперсных примесей из водной среды, а также выполняют роль эффективного ионообменника. Интенсификация процесса осветления воды объяснимо хорошим диспергированием бентонитовой глины в воде до элементарных частиц и их взаимодействием с положительными и отрицательными частицами дисперсных примесей воды, приводящего к утяжелению и осаждению. Одновременно на глинистых частицах осаждаются ионы тяжелых металлов и других органических веществ.

Таблица 4

Результаты очистки сточных вод

Загрязняющие элементы и соединения	Концентрация в воде, мг/дм3			Степень очистки в %
	1-я секция		после очистки во 2-й секции
				1-й секции	2-й секции
	до очистки	после очистки
Взвешенные вещества
Эфирорастворимые Нефтепродукты
Железо общее
Краска (взвесь)
Сульфат-ионы
Хлорид-ионы
Карбонат-ионы
Фосфат-ионы
Силикат-ионы

Показано, что бентонитовые глины обладают высокой сорбционной способностью по отношению не только нефтепродуктов, но и к молекулам синтетических поверхностно-активных веществ.

Таким образом, адсорбционно-ионообменным методом с применением бентонитовой глины, обладающей возможностью адсорбции веществ из многокомпонентных смесей, можно осуществить эффективно очистку сточных вод предприятий железнодорожной сети до ПДК с возвратом очищенной воды в технологический цикл (мойка вагонов, колесных пар, система охлаждения) с одновременной утилизацией природного сорбента. Данный метод можно использовать в комплексных схемах глубокой очистки сточных вод, включающих механическую, физико-химическую, биологическую и другие методы очистки.

Механизм процесса сорбции на бентонитовой глине при очистке сточных вод от веществ различной природы носит молекулярный, ионообменный и хемосорбционный характер.

Библиографическая ссылка

Абдимуталип Н.А., Саинова Г.А., Тойчибекова Г.Б. СОРБЦИОННЫЙ МЕТОД ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ПРЕДПРИЯТИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА // Современные наукоемкие технологии. – 2012. – № 11. – С. 63-65;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=31106 (дата обращения: 26.11.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»