На сегодняшний день существует несколько методов обезжелезивания подземных вод. Их можно разделить на группы: Реагентные; Каталитические; Ионообменные; Биохимические.
Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки, но все они, за исключением ионообменного, основываются на окислении железа ІІ до железа ІІІ. При этом происходит переход железа в нерастворимую форму, которую и задерживают на фильтрах.
Реагентный метод
Широко распространен в промышленной водоподготовке больших объемов воды. Хорошо изучен, имеет большой спектр разнообразных реагентов, начиная от атмосферного кислорода, заканчивая известью и гипохлоритом.
Реагентные методы основываются на введении в исходную воду какого – либо реагента, способствующего переходу растворимого двухвалентного железа (II) в его нерастворимую трехвалентную (III) форму. Этого можно добиться двумя путями – вводя окислитель (атмосферный кислород, озон, хлор и его соединения, перманганат калия и др.) или повышая рН воды выше 8 (известковое молоко, сода, и другие рН –корректоры), или использовать в комплексе и то и другое. Последний метод, как самостоятельный – только для обезжелезивания практически не применяется, он используется в комплексной водоподготовке: – умягчение, обезжелезивание, деманганация (удаление марганца), либо если железо и марганец присутствуют в сложных комплексных органических соединениях. После перевода железа в нерастворимую форму его соединения задерживаются в толще фильтрующей загрузки, а очищенная вода поступает потребителю.
В самостоятельном виде – т.е. только для обезжелезивания, наиболее широкое распространение получил метод окисления растворенного железа. Из всех окислителей наиболее безопасным и дешевым является пока еще бесплатный атмосферный кислород, который подают в воду различными способами в составе атмосферного воздуха. Самые распространенные методы подачи воздуха – упрощенная аэрация (разбрызгивание воды и полет ее капель от брызгальных насадок до зеркала воды), вакуумно-эжекционный (использование различных конструкций эжекторов для подсоса воздуха в поток воды), напорная аэрация - подача воздуха компрессором. При этом происходят такие реакции:
4Fe(НСО3)2 + O2 + 2H2O 4Fе(ОН)3 + 8СO2
Во время окисления 1 мг бикарбонатного железа Fе(НСО3)2 образовывается 1,6 мг свободного углекислого газа, общая жесткость воды уменьшается на 0,043 мг-екв/л, уменьшается щелочность воды на 0,0361 мг-екв/л. На окисление 1 мг железа (ІІ) тратится 0,143 мг растворенного в воде кислорода, т.е. для окисления железа (II) в железо (III) кислородом воздуха на 1 г удаляемого железа, достаточно добавлять в воду 2 л воздуха. Процесс обогащения воды кислородом при ее разбрызгивании в воздухе происходит довольно интенсивно. При падении капель воды с высоты 0,5 м содержание кислорода в воде достигает5 мг/л, что достаточно для окисления 35 мг/л железа (ІІ). То есть изменения в химизме воды минимальны, органолептика улучшается, а минеральный состав остается без изменений.
Этот метод можно применять в случаях, когда исходная вода характеризуется такими показателями (1):
- рН не меньше 6,6; - щелочность не меньше 1,35 мг-екв/л; - содержимое углекислоты до 100 мг/л; - содержимое сероводорода до 10 мг/л; - перманганатная окисляемость не больше 8,5 мг О2/л.
Возможны изменения пределов применения связки рН и перманганатной окисляемости. Аналогичные процессы происходят при окислении железа (II) другими окислителями, но их введение да и они сами вызывают определенные проблемы. Согласитесь, иметь дело с соединениями хлора, или тем более с самим хлором либо озоном намного сложнее, чем с атмосферным воздухом, которым мы дышим, но при некоторых условиях приходится идти и на такие процессы и тогда уже говорить о сохранении природной структуры воды сложно.
Образованные коллоиды соединений железа задерживаются в толще фильтрующей загрузки.
Каталитический метод
Метод http://skvaginakiev.kiev.ua основан на каталитическом окислении железа (II) до железа (III) в толще фильтрующей загрузки. Часто применяется совместно с дополнительной подачей воздуха. В качестве катализатора процесса часто выступает диоксид марганца, который в виде пленки наносится на поверхность зерен фильтрующей загрузки, например песка, природного цеолита либо искусственных алюмосиликатов наподобие "Birm" или модифицированного глауконита, получившего в иностранной литературе название "GreenSand" – и который, благодаря относительно высокому содержанию оксида марганца обладает не только каталитическими, но и окислительно - восстановительными свойствами.
Для востановления каталитических свойств таких загрузок необходима регенерация окисляющей способности фильтрующей загрузки за счет реагентной обработки окислителем - как правило, перманганатом калия. Гидроокись железа так же является эффективным катализатором.
Область и условия применения "Birm" (без подачи атмосферного воздуха): - рН 8.0 - 9.0; - концентрация растворенного в воде кислорода не менее 13% от концентрации железа; - недопустим контакт с хлором и сероводородом, а также с поверхностями из черных металлов труб и корпусов фильтров.
Область и условия применения GreenSand: - широкий диапазон рН исходной воды; - эффективное удаление растворенного и нерастворенного железа с концентрацией до 10 мг/л; - удаление марганца и сероводорода; - регулярная регенерация перманганатом калия.
Ионообменный метод
Обезжелезивание катионированием применяют при одновременном обезжелезивании и умягчении воды, а также в тех случаях, когда не производится обогащение воды кислородом при поступлении ее на катионитовые фильтры, и низком рН 6,2 и менее. На катионитовом фильтре может быть задержано только железо, находящееся в ионной форме, при этом происходит замещение ионов железа на ионы натрия. Обезжелезивание катионированием производят на катионитовых фильтрах, загруженных слоем катионитов толщиной 1,5 - 2,5 м. Корпус фильтров должен быть покрыт антикоррозийным составом, а дренажная система выполнена из полиэтилена или нержавеющей стали во избежание обогащения воды железом. Скорость фильтрования до 25 м/ч. Регенерацию производят 5-6 %-ным раствором поваренной соли. Через каждые 5...20 регенераций катионитовая загрузка должна быть промыта перед очередной регенерацией 1%-ным раствором ингибированной кислоты.
Ионообменные смолы применяются в водоочистке с 60-х годов XX века, но особенное распространение получили в конце 80-х - в 90-х годах При обезжелезивании ионообменным методом присутствие в обрабатываемой воде растворенного кислорода крайне нежелательно, поскольку выпадающая на ионообменных материалах гидроокись трехвалентного железа затрудняет процесс удаления растворенного железа.
Ионообменные смолы представляют собой нерастворимые высокомолекулярные соединения с функциональными ионогенными группами, способными вступать в реакции обмена с ионами раствора. Некоторые типы ионитов обладают способностью вступать в реакции комплексообразования, окисления-восстановления, а также способностью к физической сорбции ряда соединений.
Иониты имеют гелевую, макропористую и промежуточную структуру. Гелевые иониты лишены истинной пористости и способны к ионному обмену только в набухшем состоянии. Макропористые иониты обладают развитой поверхностью из-за наличия пор и поэтому способны к ионному обмену как в набухшем, так и в ненабухшем состоянии. Гелевые иониты характеризуются большей обменной емкостью, чем макропористые, но уступают им по осмотической стабильности, химической и термической стойкости. Иониты представлены анионитами - материалами, способными к обмену анионов, и катионитами - материалами, обменивающими катионы.
АНИОНИТЫ подразделяются на: -сильноосновные, способные к обмену анионов любой степени диссоциации в растворах при любых значениях рН; -слабоосновные, способные к обмену анионов из растворов кислот при рН 1-6, промежуточной и смешанной активности.
КАТИОНИТЫ подразделяются на: -сильнокислотные, обменивающие катионы в растворах при любых значениях рН; -слабокислотные, способные к обмену катионов в щелочных средах при рН больше 7.
Как правило http://skvaginakiev.kiev.ua, иониты выпускаются в солевых (натриевая, хлористая) или смешанно-солевых формах (натрий-водородная, гидроксильно-хлоридная). Кроме того, выпускаются иониты, практически полностью переведенные в рабочую форму (водородную, гидроксильную и др.). Эти материалы используются в пищевой, фармацевтической, медицинской промышленности и для глубокой очистки конденсата на атомных электростанциях. Выпускаются также готовые смеси ионитов для использования в фильтрах смешанного действия. Важнейшим показателем ионообменных смол является влажность, так как в силу гидрофильности функциональных групп ионообменных смол влага, содержащаяся в смоле, является "химически связанной". Причем специальное удаление этой влаги приведет при последующем использовании смолы только к физическому разрушению гранул. "Внешняя" же влага, не связанная химически с функциональной группой смолы, как правило, удаляется перед упаковкой с помощью центрофугирования или фильтрования. Для удобства транспортировки, ионообменные смолы упаковывают по стандартному весу, и продают их определенными объемами - уже для удобства потребителя. Для каждого продукта определяется и постоянно корректируется насыпной вес влажного продукта, основанный на отношении его веса к объему (кг/м3).
Следующей важной характеристикой ионообменных смол является ионообменная емкость - весовая, объемная и рабочая. Весовая и объемная емкости являются стандартными показателями, определяются в лабораторных условиях по стандартным методикам и указываются в паспортных данных на готовую продукцию.
В то же время, рабочая ионообменная емкость не может быть измерена в лабораторных условиях, так как зависит от геометрических размеров слоя смолы и от конкретных характеристик обрабатываемых растворов (уровня регенерации, скорости потоков, концентрации растворенных веществ, требуемых показателей качества обрабатываемого раствора, точного размера частиц). Изготовители ионообменных смол с помощью дополнительных исследований определяют данные, на основании которых можно рекомендовать оптимальные технологии сорбции-десорбции.
Биохимический метод
Метод заключается в высевании и наращивании на зернах загрузки фильтра железо – марганцепотребляющих бактерий типа Metallogenium personatum, Canlococensmanganifer Bacteria manganicus и последующем фильтровании обрабатываемой воды. Эти бактерии поглощают железо и марганец из воды в процессе изнедеятельности, а отмирая, образуют на зернах песка, либо другого носителя пористую массу, содержащую большое количество оксидов марганца, служащих катализатором окисления железа (II) и марганца (II). При скорости фильтрования до 22 м/ч фильтры полностью удаляют из воды марганец и железо.
Выбор метода подготовки подземных вод
Очевидно, что при всем разнообразии методов для кондиционирования природной воды с максимальным сохранением ее свойств, оптимальными будут те, которые в идеале уберут избыток железа и не оставят после себя следов. Следовательно ионообменный метод отпадает, так как место ионов железа займут ионы натрия, сильные окислители, наподобие хлоргаза, тоже могут дать нежелательные соединения, которые достаточно трудно удалить малозатратными технологиями.
Подходит под такие требования комплексный метод, при котором вначале происходит окисление железа (II) атмосферным кислородом, а для ускорения процесса перехода железа (II) в железо (III) и интенсификации процесса формирования и укрупнения коллоидов гидроокиси железа используется автокаталитическая пленка, из той же гидроокиси железа формирующаяся на зернах фильтрующей загрузки. Это решение повышает скорость процесса перехода растворенного железа (II) в гидроксиды железа в тысячи раз по сравнению с классической аэрацией и отстаиванием и, самое главное, не вводит в очищаемую воду никаких дополнительных веществ, кроме атмосферного воздуха. Исходя из позиций отказа от дополнительных химических веществ, перспективным также является биохимический метод очистки, но у него есть ограничение: он требует точной дозировки кислорода, необходимого для жизнедеятельности бактерий и, следовательно, скрупулезной эксплуатации всей системы.
Одним из основных признаков промышленных систем водоподготовки, является надежность системы и сбалансированность эксплуатационных затрат. Сравним систему на базе широко предлагаемых дистрибьюторами импортных компактных (коттеджных) решений, которые они пытаются механически переносить с коттеджа на промышленные объекты. Рассмотрим такой пример: стоимость импортной станции обезжелезивания производительностью в 1 м3/ч колеблется в пределах 800 – 1500$, в зависимости от производительности и рынка. Как действовать продавцу коттеджного оборудования, если производительность станции должна быть 10, 40 или 100 м3/ч: делать скидки за оптовые покупки или предложить импортное профессиональное оборудование, цена которого просто несравнима с отечественными решениями, а эксплуатационные затраты, особенно при неоптимально выбранном методе, сводят на нет всю экономическую целесообразность производства товарной воды.
