Часто встречающиеся способы водоподготовки

 

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:

·    макрофильтрацию;

·    микрофильтрацию;

·    ультрафильтрацию;

·    нанофильтрацию;

·    обратный осмос.

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

 

 

Адсорбция

Сорбционные методы очистки основаны на процессах адсорбции и ионного обмена.Методом ионного обмена осуществляется извлечение из раствора ионов, а методом адсорбции – молекул.

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.

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:

·    реагентным умягчением;

·    ионным обменом;

·    нанофильтрацией.