Методы осаждения в промышленной
очистке воды
Характеризуются образованием малорастворимой
твердой фазы, на поверхности или внутри
которой задерживаются коллоидные и (или)
растворенные загрязнения. Эта фаза создается
за счет введения специальных реагентов.
Осадительные методы широко распространены
в подготовке питьевой воды, а также воды
для технических целей. Эти методы дают
хорошие результаты по выведению коллоидных
и взвешенных частиц.
Достоинствами этих методов промышленной
водоочистки являются: низкая стоимость,
использование широко распространенного
и отработанного оборудования и доступных
реагентов.
Недостатками являются: низкая эффективность,
малая производительность и большое количество
отходов.
Для увеличения производительности и
уменьшения объема отходов вводят специальные
вещества – флокулянты, представляющие
собой растворимые высокомолекулярные
вещества, молекулы которых обладают в
растворенном виде зарядом.
Различают три основных осадительных
метода: коагуляция, флокуляция и химическое осаждение.
Коагуляция – образование и осаждение в жидкой
фазе гидроксидов железа или алюминия
с адсорбированными на них коллоидами
загрязнений и соосажденными гидроксидами
тяжелых металлов.
Флокуляция – процесс агрегатации частиц, в котором
в дополнение к непосредственному контакту
частиц происходит их адсорбционное взаимодействие
с молекулами высокомолекулярного вещества,
называемого флокулянтом.
Химическое осаждение – образование
и осаждение в жидкой фазе малорастворимых
кристаллических осадков с соосажденными
ионами загрязнений.
Коагуляция
При коагуляции в раствор вводятся специальные
реагенты, при взаимодействии которых
с водой образуется новая малорастворимая
высокопористая фаза, как правило, гидроксидов
железа или алюминия. Происходит также
соосаждение тяжелых металлов, по свойствам
близких к вводимому в раствор коагулянту.
В качестве коагулянтов обычно используют
соли слабых оснований – железа и алюминия
– и сильных кислот: Fe2(SO4)3, FeCl3, FeSO4, Al2(SO4)3,
AlCl3.
Для любого процесса коагуляции первостепенное
значение имеет выбор дозы коагулянта
и рН воды. Как правило, они подбираются
при пробной коагуляции.
Контактная коагуляция
Сократить объем используемого оборудования
и расход реагентов позволяет так называемая
контактная коагуляция. Она реализуется
при введении раствора коагулянта перед
механическим фильтром, на котором происходит
процесс роста хлопьев и их осаждение.
Флокуляция
Флокуляция – процесс агрегатации частиц,
в котором в дополнение к непосредственному
контакту частиц происходит их адсорбционное
взаимодействие с молекулами высокомолекулярного
вещества, которое называют флокулянтом.
При введении флокулянта резко ускоряется
процесс образования и осаждения хлопьев
при коагуляции, увеличивается плотность
агрегатов и осадков, расширяется диапазон
рН эффективного действия коагулянтов.
Флокулянты бывают неорганическими и
органическими, природными и синтетическими,
ионогенными и амфотерными.
Неорганические флокулянты – активная
кремниевая кислота АКФК;
природные – крахмал, карбоксиметилцеллюлоза
(КМЦ).
Синтетические представляют собой органические
водорастворимые высокомолекулярные
соединения с молекулярной массой от десятков
тысяч до миллионов дальтон. Они получили
наибольшее распространение из-за лучших
флокуляционных свойств и широкого выбора
различных модификаций.
Мембранные методы
Современные технологии позволяют изготавливать
объемные или плоские фильтрующие материалы
с однородными каналами практически любого
размера.
Мембранный метод основан на пропускании
загрязненного раствора через полупроницаемую
перегородку с отверстиями меньшими, чем
размер частиц загрязнений.
Мембранные процессы включают в себя:
Макрофильтрация – это механическая
фильтрация с удалением крупных видимых
твердых частиц с размером пор 1-100 мкм.
Как правило осуществляется на металлических
и полимерных сетках различного типа с
регенерацией обратным током очищенной
воды.
Микрофильтрация – удаляет мелкие взвеси
и коллоидные частицы, микроорганизмы(бактерии)
с размером 0,1-1,0 мкм, определяемые как
мутность или опалесценция раствора. Рабочее
давление от 1,0 до 2,0 атм.
Ультрафильтрация – извлекает из воды
коллоидные частицы, микроорганизмы (бактерии
и вирусы), крупные органические макромолекулы,
определяющие цветность воды, имеющие
размер 0,01-0,1 мкм и молекулярную массу
более 1000 дальтон. Рабочее давление от
0,7 до 7,0 атм.
Обратный осмос или нанофильтрация –
очень близки по механизму разделения,
схеме организации процесса, рабочему
давлению, мембранам и оборудованию.
Обратный осмос – характеризуется использованием
мембран с минимальным размером пор, соизмеримым
с размером одиночных ионов, поэтому извлекаются
все растворенные ионы и органические
молекулы. Рабочее давление от 7 до 70 атм.
Эффективность удаления методом обратного
осмоса различных ионов зависит от их
заряда и размера, определяющих степень
гидратации и увеличивается с ростом этих
характеристик.
Коэффициенты очистки имеют следующие
значения: по одновалентным ионам Na+, K+,
Cl-, NO3- равные -, а по двухвалентным Ca2+, Mg2+,
SO42- - более 100.
Однако использование обратного осмоса
имеет ряд ограничений. Вода, подаваемая
на мембраны не должна содержать железа,
грубых механических примесей, должна
быть умягченной и т.п. Это необходимо
для предотвращения отложения малорастворимых
солей на поверхности мембран и их разрушения.
Нанофильтрация – удаляет молекулы и
многозарядные ионы, имеющие размер от
0,001 до 0,01 мкм, органические молекулы с
молекулярной массой выше 300 дальтон и
все вирусы. Рабочее давление от 7 до 16
атм.
Нанофильтрация способна удалять ионы
с зарядом больше 1, а однозарядные пропускать
– извлечение NaCl составляет менее 50%. Селективность
по двухзарядным катионам и анионам высокая,
например, при фильтрации раствора MgSO4
извлечение составляет 98-99%. Тяжелые металлы
удаляются практически полностью. В результате
степень обессоливания ниже, чем при обратном
осмосе, но фильтрат почти не содержит
солей жесткости, т.е. происходит умягчение
воды. Селективность к органике с молекулярной
массой более 150-300 обеспечивает снижение
цветности и окисляемости.
Сравнение различных мембранных методов
по степени удаления из воды ионов и биологических
загрязнений приведено в таблице.
Вещество |
Микро-фильтрация |
Ультра-фильтрация |
Нано-фильтрация |
Низконапорный
обратный осмос |
Обратный
осмос |
NaCl |
0 |
0 |
0-50 |
70-95 |
99 |
Na2SO4 |
0 |
0 |
99 |
80-95 |
99 |
CaCl2 |
0 |
0 |
0-60 |
80-95 |
99 |
MgSO4 |
0 |
0 |
>99 |
95-98 |
>99 |
H2SO4 |
0 |
0 |
0 |
80-90 |
99 |
HCl |
0 |
0 |
0 |
70-85 |
99 |
Вирусы |
0 |
99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
Бактерии |
>50 |
99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
Компания «Контур-Аква» предлагает целый
ряд мембранных установок серии «АкваРос».
Адсорбция
Сорбционные методы очистки основаны
на процессах адсорбции и ионного обмена.
Методом ионного обмена осуществляется
извлечение из раствора ионов, а методом
адсорбции – молекул.
Адсорбция
Адсорбция – поглощение молекул растворенного
вещества твердым нерастворимым телом
– адсорбентом.
Адсорбенты – это твердые нерастворимые
тела, обладающие развитой поверхностью
за счет высокой пористости.
Поглощение происходит за счет физической
сорбции или хемосорбции на развитой поверхности
адсорбента.
Физическая сорбция основана на силах
межмолекулярного взаимодействия, и хемосорбция
– на поглощении с участием химических
реакций. При этом образуются новые химические
соединения.
Наиболее распространенные адсорбенты
– активированные угли. Они представляют
собой пористые углеродные тела, зерненые
или порошкообразные, имеющие большую
площадь поверхности.
Активированные угли изготавливают на
древесной и каменноугольной основах,
а также из полимерных волокон. Процесс
их производства заключается в пиролизе
материала, т.е. высокотемпературной обработке
без доступа воздуха.
Компанией «Контур-Аква» применяются
сорбционные фильтры серии СА(Т) на основе
различных типов и марок активированных
углей. Наиболее распространенное применение
в настоящее время получили импортные
активированные угли, изготовленные из
скорлупы кокосового ореха. В них сочетаются
высокая прочность, стабильный оптимальный
гранулометрический состав и высокая
емкость.
При адсорбции из растворов извлекаются
в основном молекулы органических веществ,
а также коллоидные частицы и микровзвеси.
Хорошо сорбируются фенолы, полициклические
ароматические углеводороды, нефтепродукты,
хлор- и фосфоорганические соединения.
Активированные угли также используются
как катализаторы разложения находящегося
в воде активного хлора и озона.
Соли, находящиеся в воде в ионном виде,
практически не извлекаются.
Умягчение воды
Процесс удаления из воды солей жесткости
называют умягчением.
Жесткая питьевая вода горьковата на
вкус и оказывает отрицательное влияние
на органы пищеварения (по нормам ВОЗ оптимальная
жесткость воды составляет 1,0-2,0 мг-экв/л).
В бытовых условиях избыток солей жесткости
приводит к зарастанию нагревающих поверхностей,
отложению солей на сантехнике и выводу
ее из строя, снижению срока службы и поломке
бытовых приборов.
В пищевой промышленности жесткая вода
ухудшает качество продуктов, вызывая
выпадения солей при хранении, образование
подтеков на поверхностях и т.п. Поэтому
жесткость воды, используемой для приготовления
различных продуктов, четко регламентирована
и находится на уровне 0,1-0,2 мг-экв/л.
В энергетике случайное кратковременное
попадание жесткой воды в систему выводит
из строя теплообменное оборудование,
трубопроводы.
Процессы извлечения из воды солей Сa2+ и Mg2+ в водоподготовке называют умягчением.
Относительно селективное удаление солей
жесткости может производится тремя методами:
Реагентное умягчение
Многие соли жесткости имеют низкую растворимость.
При введении в раствор некоторых реагентов
увеличивается концентрация анионов,
которые образуют малорастворимые соли
с ионами жесткости Сa2+ и Mg2+. Такой процесс называют реагентным
умягчением.
Процессы осаждения осуществляются в
отстойниках и осветлителях.
Реагентные методы в подготовке питьевой
воды не используются. После них вода имеет
сильнощелочную реакцию. Они широко применяются
в энергетике и промышленности как первая
ступень очистки до механических фильтров.
При совместной работе они позволяют умягчить
воду, удалить взвешенные вещества, включая
коллоиды, и частично очистить ее от органических
веществ.
Поскольку осаждение образовавшихся
хлопьев происходит очень медленно, производительность
оборудования низка и оно имеет большие
габариты. В результате образуются отходы
в виде трудно утилизируемых шламов. Процесс
требует тщательного контроля, причем
в основном ручного, поскольку зависит
от многих факторов: температуры воды,
точности дозировки реагентов, исходной
мутности и т.п.
Новые технологические решения (тонкослойное
отстаивание, контактная коагуляция, ввод
флокулянтов) позволяют достигнуть тех
же показателей при меньшем расходе реагента,
габаритах установок и их полной автоматизации.
Ионный обмен
Наиболее просто снижение жесткости
до практически любых значений обеспечивается
ионным обменом. Производительность метода
практически не ограничена.
Умягчение воды может производиться
методами Na-катионирования, H-Na-катионирования
(параллельное или последовательное) или
Н-катионирование с голодной регенерацией
на сильно- или слабокислотном катионите.
Умягчение воды производится путем ее
контактирования с сильнокислотным катионитом
в Na-форме, в результате чего из воды извлекаются
катионы Ca2+ и Mg2+ и замещаются ионом Na+. Солесодержание воды при этом практически
не меняется, поскольку катионы кальция,
имеющие вес 1 мг-экв/л, равный 20, замещаются
катионом натрия с весом 1 мг-экв/л, равным
23. Поскольку анионный состав не меняется,
раствор остается практически нейтральным.
Щелочность воды и рН может увеличиться
на 0,1-0,2 единицы, в зависимости от содержания
солей жесткости в исходной воде.
Принципиальная схема установки умягчения
воды практически аналогична механической. Принципиальное отличие установок умягчения
состоит в наличии системы приготовления
соли и его подачи в фильтр.