Сорбенты для очистки воды

Сорбенты для очистки воды

Влияние антропогенного фактора на качество воды

Человеческая деятельность ухудшает качество воды в природе, которую человек  употребляет. Рассмотрим опасные для человеческого организма характеристики воды.

Сперва следует отметить понижение pH уровня пресной воды. Серная и азотная кислоты увеличивают количество сульфатов и нитратов.

В подземных источниках и реках растет концентрация ионов кремния, кальция и магния. Это связано с подкисленными дождями, лучше растворяющими многие породы, включая карбонатные.

Сегодня фиксируют повышенную концентрацию аммонийного азота, фосфатов, нитритов и нитратов в природных источниках воды.

На человеческий организм негативно влияет ряд тяжелых металлов (ртуть, свинец, цинк, мышьяк), которые попадают вместе с  водой и не выводятся.

Содержание соли в водных источниках каждый год увеличивается на 30-50 мг/л.  Ее источники: воздух ,сточные воды и твердые отходы. По статистике из 1 тыс. тонн городского мусора в землю смывается  до 8 тонн солей.

Природная вода так же загрязнена стойкими биологическими соединениями: токсины, синтетические ПАВ, мутагенные и канцерогенные вещества, пестициды и их продукты распада.

Эвтофикация водоемов и минерализация органики нуждаются в кислороде. Он берется из воды. Многие гидрофобные вещества ведут к снижению концентрации полезного газа в водоемах. В его отсутствии начинают происходить восстановительные реакции. Примером может служить восстановление сероводорода из сульфатов.

Над пресными источниками висит угроза радиоактивного загрязнения опасными изотопами.

Методы сорбционной очистки воды

Метод Сорбция в очистке воды
Схема сорбционной очистки воды

Вышеперечисленное показывает: сточные воды стали гетерогенной смесью с растворенными и взвешенными веществами различного происхождения, которые могут окисляться.

Как показывает практика водоочистки, использование сорбитов эффективно после механической очистки. На этом этапе вода не содержит грубодисперсные, коллоидные и растворенные примеси.

Чаще всего используют следующую последовательность:

  1. коагуляция;
  2. отстаивание;
  3. фильтрование;
  4. сорбция.

Комбинирование методов водоочистки, совместно с коагуляцией и осветлением воды, помогут сэкономить сорбирующие материал. Технические и экономическая сложности снабжения многих районов пресной водой будут решены.

Активированный уголь для очистки воды

Удалить органику природного и неприродного происхождения в воде можно при помощи популярного сорбента для очистки воды – активированного угля. Вода может проходить через слой активированного угля или в нее вводят измельченный уголь.

Количество органики природного происхождения в воде нормируется косвенно: запах, привкус и цветность. Последняя улучшается коагулированием и хлорированием, которые значительно дешевле активированного угля. Сорбент используют для изъятия примесей, придающие необычный запахи и вкус воде, а так же неприродные органические вещества: пестициды, нефтепродукты, детергенты и т.д. Если полное удаление не возможно, то снижают до минимума содержание этих веществ.

Уголь активный порошкообразный
Активированный уголь

Каждое вещество имеет свое допустимое значение. Например сероводород и хлор– до 0,3 мг/л, а хлорфенол –0,02 мг/л.

Эффект от использования порошкообразного активированного угля (ПАУ) при  незначительном содержании вредных примесей в статических условиях невелик. Объясняется это коротким промежутком времени контактирования ПАУ с примесями. Сорбируемому веществу нужно значительно больше времени, что бы попасть в поры зерна угля. Отсюда следует, что на способность сорбировать влияет размер зерен ПАУ.

Ее можно охарактеризовать фенольным числом. Оно показывает, сколько миллиграммов ПАУ нужно для уменьшения фенола с 0,1 до 0,01 мг в одном литре воды при взбалтывании на протяжении часа. Чем выше показатель, тем ниже сорбционная способность ПАУ. В производстве допускается значение фенольного числа до 30. Отличными образцами ПАУ будут с фенольным числом до 15.

Марка активированного угля подпирается индивидуально в лабораториях. В опытах должна использоваться хлорированная и не хлорированная вода.

Использовать ПАУ можно перед отстойником и после него. В первом случае концентрация не должна превышать 7 мг/л при долгом контакте и 12 мг/л при кратковременном использовании. Если на фильтр попадет излишки ПАУ, потребуется много промывочной воды и резко снизиться напор. Для лучшего осветления воды с ПАУ, специалисты рекомендуют использовать двухслойный фильтр. Небольшие дозы ПАУ лучше использовать после отстойника. В противном случае сорбирующие способности угля не будут использованы в полном объеме, так как он быстро осядет на дно.

Применение активированного угля не влечет больших затрат. В наличии должны быть помещение для складирования ПАУ и блок изготовления ПАУ, который будет дозировать уголь.

Особенности применения активированного угля:

  • ПАУ в сухом виде взрывоопасное и пыльное вещество (используют 2-10% суспензию);
  • невозможно регенерировать – постоянное использование не целесообразно (существует гранулированный регенерирующий уголь, но его стоимость высока);

Чаще всего активированный уголь применяется для удаления свободного хлора в воде.

Безуглеродные сорбенты для очистки воды

Безуглеродные сорбенты самые распространены в технологиях  водоочистки. Они бывают природного и искусственного производства: цеолиты, глинистые породы и т.д

Преимущества неуглеродных сорбентов:

  • повышенная емкость;
  • способность обмениваться катионами;
  • невысокая цена и распространенность.

Глинистые породы

Они широко используются в процессе очистки воды. Их структура хороша развита, имеет множество микропор разного размера, слоистую жесткость и способна расширяться.

Процесс сорбции с применением глинистых пород сложен. В него входят Ван-дер-ваальсовые реакции. Они хорошо обесцвечивают воду, убирают взвешенные частицы и токсичные органические соединения хлора и гербицидов, ПАВ.

Природные сорбенты берут в местности их использования, что увеличивает их потребление в технологии водоочистки.

Цеолиты

Так выглядит шабазит
Цеолиты

Представляет собой алюмосиликатный каркасный материал. Характеризуются трехмерным алюмосиликатным каркасом с правильной тетраэдрической структурой и отрицательным зарядом. Гидратированные ионы щелочных и щелочноземельных металлов расположены в пустотах каркаса и имеют положительный заряд, компенсирующий заряд каркаса. Цеолиты можно использовать только для веществ, у которых размеры молекул меньше входного отверстия. Их еще называют ситом для молекул.

Существует более 30 видов. Самые применяемые: шабазит, морденит, клинопптиломит. Их легко добывать и перерабатывать.

После добычи их прокаливают в печах при 1 тыс. градусов с хлоридом карбонатом натрия. Применение кремнийорганических соединений на поверхности цеолитов придают им гидрофобные свойства.

Используются в порошкообразной форме. Цеолиты задерживают:

  • ПАВ;
  • красители;
  • пестициды;
  • коллоидные и бактериальные загрязнения;
  • органические соединения.

Неорганические иониты

Они считаются перспективным направление в технологии водоочистки. Самые распространенные:

  • цирконилфасфат;
  • титаносиликаты и цирканосиликаты;
  • оксалат циркония;
  • соли гетеро- и поликислот;
  • ферроцианты тяжелых и щелочных металлов;
  • гидроксиды железа и сульфиды железа, нерастворимые в воде;

Большинство из них не может иметь водородную форму, при которой их структура разрушиться. Удобной для них стала солевая форма. Но она исключает возможность обессоливать воду без редких анионитов неорганических минералов. Для этого используют органические катиониты и аниониты на основе синтетической органики.

Органические иониты

Органические иониты
Органические иониты

Множество органических ионитов характеризуются гелевой структурой. Реальных пор нет, но при попадании в растворы воды они набухают и могут обмениваться ионами.

Существуют макропористые иониты, работающие по принципу активированного угля. Они устойчивы к механической нагрузке, осмотически стабильны, имеют  улучшенный обмен и ситовой эффект, но менее емкие по сравнению с гелевыми.

Современная наука позволяет синтезировать органические иониты с любыми ценными свойствами, не имеющие природных аналогов.

Регенерация сорбентов

Виды методов восстановления:

  • химический;
  • термический при низких температурах;
  • термический.

Химический метод восстановления

Сорбент обрабатывают органическим или неорганическим реагентом жидкой или газообразной формы. Температура обработки не превышает 100 градусов.

Регенерации подвержены углеродные и безуглеродные сорбенты. Процесс происходит в адсорбационном аппарате. Каждый тип сорбата имеет свой химический способ.

Доступным методом регенерации является нагревание сорбента в воде. Растет степень диссоциации и способность растворяться сорбата. Происходит десорбция части сорбата. Например, активированный уголь регенерируют нагретой водой. Эффект восстановления достигает 40 %.

Так же активированный уголь восстанавливать гидроокисью и карбонатом натрия. Сорбционная емкость уменьшается на 50%.

Известны способы с гамма-излучениями, но на практике их не применяют.

Термическая регенерация при низких температурах

Сорбенты подвергаются паровой или газовой обработке. Температура достигает 400 градусов. Процесс простой, неопасный и легко воспроизводимый на многих производствах. Из оборудования потребуются парогенератор и охладитель для конденсата. В последствие его сжигают или используют для получения ценного сорбата.

Термическая регенерация

Первые два метода не позволяют полностью восстановить адсорбционные угли.  Термическое восстановление состоит из нескольких стадий и касается как сорбата, так и сорбента. Она схожа с технологией получения активных углей. Ее стоимость будет равна половине стоимости нового материала. Разложение примесей происходит при 350 градусах, а при 400 градусах половина адсорбента разрушиться.

Сегодня следует уделять время на разработку новых эффективных методов восстановления сорбентов. Это должно снизить стоимость очистки воды.