Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Приложение 1. - Некоторые требования к питьевой воде согласно СанПиН 2.1.4.1074-01






Показатели Единицы измер. Нормативы ПДК
Хлор (остаточный свободный) мг/л 0, 3-0, 5
Хлор (остаточный связанный) мг/л 0, 8-1, 2
Хлороформ (при хлорировании воды) мг/л 0, 2
Озон остаточный мг/л 0, 3
Водородный показатель   рН = 6-9
Общая минерализация (сухой остаток) мг/л  
Жесткость общая ммоль/л  
Нефтепродукты, суммарно мг/л 0, 1
ПАВ, анионоактивные мг/л 0, 5
Алюминий (Al3+) мг/л 0, 5
Барий (Ba2+) мг/л 0, 1
Железо (Fe, суммарно) мг/л 0, 3
Кадмий (Cd, суммарно) мг/л 0, 001
Марганец (Mn, суммарно) мг/л 0, 1
Мышьяк (As, суммарно) мг/л 0, 05
Нитраты (NO3-) мг/л  
Ртуть (Hg, суммарно) мг/л 0, 0005
Свинец (Pb, суммарно) мг/л 0, 03
Селен (Se, суммарно) мг/л 0, 01
Сульфаты (SO42-) мг/л  
Фториды (F-) мг/л 1, 5 (1, 2)
Хлориды (Cl-) мг/л  
Цианиды (CN-) мг/л 0, 035
Цинк (Zn2+) мг/л  
Линдан (пестицид) мг/л 0, 002
ДДТ мг/л 0, 002

 

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ   ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ   ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА “ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ”   Лабораторная работа по курсу «Экология»   МЕТОДЫ ДООЧИСТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ Методические указания   РПК “Политехник”   Волгоград 2006    


 
 
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ   ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ   ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА “ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ”   Лабораторная работа по курсу «Экология»   МЕТОДЫ ДООЧИСТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ Методические указания   РПК “Политехник”   Волгоград 2006     УДК 551.510: 547 Методы доочистки питьевой воды: Методические указания к лабораторной работе по курсу “Экология”./Сост. Т.В.Хохлова, И.В.Могилевская, С.В. Смирнова/ ВолгГТУ.- Волгоград, 2006.-28с.   Приведены рекомендации по изучению теоретического материала к лабораторным работам, методики эксперимента и обработки полученных результатов, а также контрольные вопросы.   Ил. 5. Табл. 1. Библиогр.: 5 назв. Рецензент О.И.Тужиков   Печатается по решению редакционно–издательского совета Волгоградского государственного технического университета   ©Волгоградский государственный технический университет, 2006   Составители: Татьяна Васильевна Хохлова Ирина Владимировна Могилевская Светлана Викторовна Смирнова   ЦЕЛЬ РАБОТЫ 1. Изучить принцип работы бытовых фильтров различного типа, предназначенных для очистки питьевой воды. 2. Оценить эффективность очистки воды с помощью фильтров различного типа и очистительной установки “Изумруд-С”, сравнить их. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Качество питьевой воды - проблема, остро стоящая не только в нашей стране, но и во всем мире. Принятые в 1996 году нормы СанПиН определяют предельно допустимое содержание в воде бактерий, газов, органических и неорганических веществ. В список веществ, подлежащих контролю, включено около 2000 параметров, причем обязательному контролю подлежат более 200. Полный анализ качества питьевой воды проводится в лабораториях СЭС или специальных аккредитованных лабораториях. Самым радикальным способом очистки воды является ее дистилляция, когда в результате перегонки удаляются все примеси, бактерии, газы и растворенные соли. Но надо учесть, что такая вода не пригодна для постоянного употребления, как питьевая. Если лишить человека поступления в организм солей, произойдет быстрое нарушение солевого баланса, что может привести к тяжелым последствиям для здоровья. Задача улучшения качества питьевой воды может быть решена, если правильно использовать устройства для доочистки воды, а именно - разнообразные фильтры. Выбор типа фильтра, необходимого для очистки воды в каждом конкретном случае возможен только тогда, когда известны состав и структура загрязнителей воды. Первый и наиболее распространенный тип загрязнения - наличие в воде нерастворимых механических примесей: частиц песка, ила, ржавчины и других взвесей. Чтобы избавиться от них, используют осадочные фильтры. Иногда в воде присутствуют значительные количества растворенного железа. В этом случае изначально прозрачная вода при отстаивании или при нагреве становится бурой, имеет характерный привкус и образует ржавые пятна на посуде и сантехнике. Для решения этой проблемы обычно используют фильтры обезжелезивания. Чрезвычайно распространенный недостаток - повышенная жесткость воды из-за высокой концентрации растворенных в ней солей кальция и магния. Именно они становятся причиной всем известной накипи. Чтобы избавиться от этого, используют фильтры - корректоры жесткости. В последнее время в продаже появились портативные измерители суммарной жесткости воды, они достаточно точны и при этом не слишком дороги. Неудовлетворительные органолептические показатели воды - неприятный запах, привкус и цвет - обычно связаны с присутствием в ней органических веществ, остаточного хлора или сероводорода. Эта проблема решается с помощью угольных фильтров. Самыми трудно поддающимися очистке являются воды, загрязненные солями тяжелых металлов. Специальных устройств для их удаления нет, но с этим видом загрязнения можно справиться с помощью фильтров ионообменного типа. Последний тип загрязнений - бактериологическая загрязненность, которая может быть устранена при использовании ультрафиолетовых стерилизаторов или озонирования, в промышленных условиях - хлорированием. Осадочные фильтры Для очистки от механических примесей на магистральную трубу при входе воды в квартиру или дом устанавливают осадочные, или седиментационные фильтры. Их можно разделить на две большие группы по типу материала, из которого сделан фильтрующий элемент. Более просты и дешевы осадочные фильтры картриджного типа. Они позволяют очищать воду от частиц размером до нескольких микрон. Сегодня существуют картриджи, изготовленные из полипропиленового шнура, намотанного на полипропиленовый сердечник, из плиссированного полиэфирного материала, меланинцеллюлозные, сетчатые из нержавеющей стали (с размером пор до 50 мкм) и целый ряд других. Кроме материала фильтрующие картриджи различаются по длине и диаметру. Наиболее распространены фильтры с порами 20-50 мкм, которые обладают ограниченной грязеемкостью и требуют довольно частой промывки, в ряде моделей предусмотрена автоматическая очистка фильтра. Недостатком устройств этого типа является невозможность точного определения степени выработки фильтрующего элемента. Срок службы картриджа существенно зависит как от качественных и количественных показателей загрязненности, так и от количества пропущенной через него воды, и составляет от двух месяцев до полугода. Еще одним недостатком можно назвать и то, что повышение степени очистки воды, а именно снижение размера отфильтровываемых частиц, напрямую связано с уменьшением размера пор, через которые должна пройти вода, а ведь чем меньше поры, тем больше сопротивление фильтра давлению и тем значительнее фильтр ослабит напор воды на выходе. При выборе фильтра необходимо учитывать температуру очищаемой воды: на трубы с горячей водой необходимо устанавливать только фильтры, рассчитанные на температуру выше 40°С. Вторая группа осадочных фильтров - это системы засыпного типа. Основные их элементы - баллон для засыпки фильтрующей среды (алюмосиликатов или специальной керамики) и автоматический блок управления. Фильтрующие свойства среды периодически восстанавливаются за счет промывки, производимой в автоматическом режиме, при этом накопившиеся в фильтре отложения сбрасываются в дренаж. Достоинство таких систем - высокая производительность и долговечность (несколько лет). Однако они достаточно громоздки и дороги. Оптимальным вариантом может стать установка общего фильтра на дом (коттедж) или на подъезд. Фильтры- корректоры жесткости Следующая ступень улучшения качества воды - ее умягчение. Высокая жесткость не столь сильно влияет на вкусовые качества питьевой воды, зато весьма отрицательно сказывается на работоспособности современной бытовой техники, систем горячего водоснабжения и отопления. Экономически оправданным и эффективным способом снижения высокой жесткости воды является применение фильтров- умягчителей, в которых используются ионообменные смолы. Суть процесса заключается в замене ионов кальция и магния, соли которых определяют жесткость воды, на ионы, соли которых не образуют твердых отложений. Этот процесс давно и хорошо известен и широко применяется в химической промышленности. Современные ионообменные смолы отличаются высокой надежностью и долговечностью и работают в системах с высокой производительностью. Некоторые из них способны убирать из воды не только соли жесткости, но и растворимые соли железа, неорганические соли свинца, бария, других тяжелых металлов и даже радиоактивный радий. Большинство фильтров для регуляции жесткости воды достаточно крупногабаритные (высота примерно 1, 5 м, диаметр 200-300 мм). В последнее время стали появляться фильтры для умягчения воды полифосфатом. Они невелики по размеру и не очень дороги. Стоит сказать и о магнитных фильтрах снижения жесткости воды, которые рекомендуется устанавливать в квартирах для стиральных или посудомоечных машин, водонагревателей. В качестве примера можно привести магнитный нейтрализатор кальциевых отложений, он имеет производительность до 0, 72 м3/час при максимальной температуре воды до 95 °С и давлении до 16 атм. Фильтры- обезжелезиватели Присутствие железа в воде в количестве, превышающем предельно допустимую концентрацию (ПДК 0, 3 мг/л), делает ее непригодной как для питья, так и для использования в бытовых целях. Это наиболее остро ощущают жители сельских районов, владельцы загородных домов, отдыхающие в санаториях и на турбазах. Именно подземные воды, используемые в таких жилых комплексах, содержат значительные количества растворенных солей железа. Самым простым и распространенным способом очистки воды от растворенных солей является превращение их в нерастворимые оксиды (ржавчину) в результате окислительно-восстановительных реакций. Для этого используют различные окислители, такие как: озон, гипохлорит натрия или перманганат калия. Образовавшаяся ржавчина может быть легко отфильтрована. Такие фильтры обезжелезивания способны, кроме того, удалять из воды и соединения марганца. Эти фильтры достаточно громоздкие и поэтому их устанавливают на группу сооружений. Большинство фильтров такого типа имеет автоматическую регенерацию, осуществляемую по сигналу таймера или счетчика воды. Эксплуатация фильтров, предназначенных для удаления катионов растворенного железа, требует определенной предварительной очистки воды. В ней должны отсутствовать сероводород и нефтепродукты, а также нерастворимый осадок. Обычно эти установки либо продаются в комплекте с предфильтрами, либо уже имеют в своей конструкции такие защитные функции. Фильтры из активированного угля Для улучшения органолептических показателей воды давно и успешно используют фильтры из активированного угля, одни из самых старых и наиболее распространенных. Благодаря своей высокой адсорбционной способности активированный уголь весьма эффективно поглощает растворенные газы и органические соединения. Но накопившаяся органика трудно выводится из угля, поэтому, чтобы избежать возможного залпового выброса загрязнений в очищенную воду, фильтры из активированного угля требуют периодической замены. Для увеличения ресурса работы фильтров сейчас используют активированный уголь, получаемый из скорлупы кокоса, адсорбционная способность которого в 4 раза выше, чем у угля, получаемого, например, из древесины березы. Чтобы избежать бактериологического зарастания таких фильтров, применяют угли со специальными бактериостатическими присадками, самой простой из которых является коллоидное серебро. Устройства для доочистки питьевой воды Разнообразные устройства для дополнительной очистки питьевой воды можно условно разделить на три группы: 1) фильтры-кувшины, где вода проходит через сменный картридж в нижний сосуд. 2) проточные устройства, устанавливаемые непосредственно на смеситель. 3) специальные системы, которые подключаются к трубе холодной воды, устанавливаются рядом с раковиной, а чаще - под раковиной, и имеют отдельный кран. Среди фильтров-кувшинов наиболее распространены фильтры типа “Аквафор”, “Барьер”, Brita, Kenwood, и ряд других. Их отличает друг от друга внешний вид, состав и очищающая способность (емкость) фильтрующей кассеты. Фильтрующий элемент " Барьера" рассчитан на доочистку 500 литров воды в течение примерно 2-3 месяцев. Они выпускаются в трех модификациях: для мест, где есть вероятность бактериального заражения (" Барьер 3"), этот элемент состоит из активированного угля с нанесенным на него коллоидным серебром; для города (" Барьер 4"), в этом случае серебро не наносится; и элемент с фторирующим эффектом (" Барьер 5"). Фильтрующий элемент водоочистителя Brita, кроме активированного угля с нанесенными на него ионами серебра, содержит и ионообменные смолы, извлекающие из воды ионы тяжелых металлов. Емкости такого элемента хватает примерно на 100 литров воды. В состав проточных фильтров, как правило, входит осадочный фильтр и элемент из активированного угля. Их емкость невелика - картридж рассчитан на снабжение семьи питьевой водой в течение нескольких месяцев, после чего его нужно заменить. К таким фильтрам относятся российские “Аквафор”, " Родник", " Гейзер", " Богатырь" и импортные Instapure, Rowenta и ряд других. По некоторым параметрам импортные фильтры превосходят отечественные, но не надо забывать, что они рассчитаны на воду достаточно хорошего качества. А в водопроводных магистралях, например, дачных участков, лучше использовать отечественные фильтры. Они достаточно надежны и значительно дешевле импортных. Более сложные устройства глубокой доочистки питьевой воды содержат в себе последовательность из двух и более фильтрующих элементов. Они устанавливаются рядом с раковиной или под раковиной. Самые простые из них отличаются от монтируемых на смеситель тем, что имеют отдельный подвод воды и кран. Кроме того, емкость фильтрующих элементов этой группы фильтров существенно больше, они, как правило, рассчитаны на очистку нескольких тысяч литров воды в течение примерно полугода. К этой же группе надо отнести и более сложные очистные установки, в состав которых, кроме осадочного и угольного фильтров, входят фильтры из ионообменных смол, которые задерживают ионы тяжелых металлов. Вторая группа установок для доочистки питьевой воды включает электрохимические устройства. Они работают, используя процессы электрохимического окисления и восстановления, благодаря которым нейтрализуются содержащиеся в воде многие токсичные вещества, содержащие активные функциональные группы (например, фенол, см. стр.21). Эти устройства требуют питания от электросети, но потребляемая ими мощность невелика. Они имеют большой ресурс работы, однако требуют регулярной (примерно 1 раз в 2 месяца) промывки. Такие устройства (например, серии " Изумруд") хорошо очищают воду от катионов металлов и органики, несколько хуже удаляют из воды анионы. Преимущество установок типа " Изумруд", в которых очистка воды производится электрохимическим и каталитическим способами, в том, что они не позволяют размножаться микроорганизмам на внутренних поверхностях. Даже в тех случаях, когда выход из адсорбционной или мембранной системы водоочистки защищен противомикробным фильтром, бактерии могут размножаться на выходной поверхности противомикробного фильтра и на внутренних поверхностях выходных магистралей, что является фактором эпидемиологического риска. Поэтому адсорбционные, ионообменные, мембранные и комбинированные бытовые водоочистительные системы непригодны для работы с водой, не безопасной в микробиологическом отношении. Установки " Изумруд" свободны от указанного недостатка, поскольку даже при сверхвысоком содержании в исходной воде бактериальных и вирусных тел 106- 108 в одном миллилитре после очистки в установках " Изумруд" количество микроорганизмов в воде уменьшается на пять-шесть порядков до 10 – 102 на мл. В момент электрохимической обработки вода приобретает бактериостатические характеристики, аналогичные свойствам родниковых вод. В процессе длительного хранения вода, очищенная в установках " Изумруд", может утратить бактериостатические свойства. Функциональная особенность электрохимического реактора установок " Изумруд" состоит в том, что вода подвергается раздельной (униполярной) обработке в анодной и катодной камерах, что повышает эффективность обеззараживания и очистки. Схема технологического процесса очистки воды в установке “Изумруд-С” изображен на рис.1. Исходная (водопроводная) вода поступает в катодную зону электрохимического реактора 3, где происходит превращение ионов тяжелых металлов в тонкодисперсные частицы металлов и (или) гидроксидов металлов, затем производится их флотационное отделение в камере 5 и удаление в дренаж образовавшихся гидроксидов. Далее вода проходит анодную обработку в электрохимическом реакторе 3, при этом происходит уничтожение микроорганизмов, окислительное разрушение органических соединений и микробных токсинов. Выходящая из анодной камеры вода подается в реактор смешения 4, это позволяет увеличить время воздействия образовавшихся в анодной камере оксидантов на органические примеси в воде, микроорганизмы и микробные токсины и, соответственно, усилить эффект очистки воды от этих компонентов. Последняя стадия очистки воды - это ее обработка в каталитическом реакторе 7. Здесь происходит удаление соединений активного хлора. Вся гидравлическая система установки изготовлена из химически весьма стойких материалов, разрешенных к применению в изделиях медицинской техники. Все указанные процессы в установке разделены в пространстве и во времени, что обеспечивает наилучшие результаты очистки.
  1. Источник питания 2. Система автоматического включения и отключения установки. 3. Проточный электрохимический реактор. 4. Реактор смешения (вихревая реакционная камера). 5. Флотационная камера. 6. Система удаления примесей. 7. Каталитический реактор.

 

Рисунок 1.- Технологический процесс очистки воды в установке " ИЗУМРУД-С"

Рисунок 2. – Устройство ПЭМ -3.

1 – внешний электрод; 2 – внутренний электрод; 3 – диафрагма;

4 – внутренняя втулка; 5 - наружная втулка;

6, 7 - уплотнительные кольца

 

 

Электрохимические реакторы установок " Изумруд" состоят из проточных модульных электролитических элементов (элементов ПЭМ-3). Элемент ПЭМ-3 (рис. 2) представляет собой миниатюрный диафрагменный электролизер с вертикально установленными цилиндрическими электродами: внешним 1 и внутренним 2, между которыми размещена тонкостенная трубчатая пористая керамическая диафрагма 3, разделяющая межэлектродное пространство на две электродные камеры - анодную и катодную. Электроды 1, 2 и диафрагма 3 закреплены взаимно неподвижно, герметично и строго коаксиально при помощи втулок 4 и 5 из диэлектрического материала и эластичных уплотнительных колец 6 и 7. Каждая втулка снабжена штуцером для гидравлического сообщения с соответствующей электродной камерой: посредством штуцеров на наружных втулках обеспечивается проток воды через камеру внутреннего электрода, проток через камеру внешнего электрода обеспечивается при помощи штуцеров на внутренних втулках. Входные штуцеры электродных камер находятся в нижней части вертикально установленного элемента ПЭМ-3, выходные - в верхней его части. Межэлектродное расстояние (МЭР) в элементе ПЭМ-3 равно 3 мм, хотя допустимыми являются значения в пределах 2, 8 - 3, 3 мм. При таких значениях МЭР анодная и катодная области интенсивного конвективного, диффузионного и электромиграционного перемешивания воды под действием тока, протекающего между электродами, соприкасаются (если отсутствует диафрагма), что обусловливает значительное уменьшение омического сопротивления электрохимической системы в случае повышения плотности тока.

Диафрагма элемента ПЭМ-3 выполнена из керамики с использованием оксидов циркония, алюминия и иттрия, и может содержать добавки оксидов лантана, ниобия, тантала, титана, гадолиния, гафния и др. Диафрагма обладает высокой устойчивостью к действию концентрированных и разбавленных водных растворов кислот, щелочей, окислителей, восстановителей, агрессивных газов (хлора, диоксида хлора, кислорода, озона), не чувствительна к ионам тяжелых металлов, органическим веществам. При загрязнении нефтепродуктами, гидроксидами металлов диафрагма допускает многократную очистку растворами детергентов, концентрированной или разбавленной хлористоводородной кислотой с полным восстановлением свойств после удаления загрязнений.

Установки " Изумруд" не подвергаются вторичному инфицированию микрофлорой. Однако электрохимические водоочистители не предназначены для работы с деминерализованной или мутной водой.

Третья группа включает наиболее сложные устройства, основанные на принципе обратного осмоса. Такая установка обычно состоит из предварительного осадочного фильтра с размером пор около 20 мкм, предварительного фильтра из активированного угля и тонкопленочной композитной мембраны, обеспечивающей очень высокую степень очистки воды. На этой стадии удаляется примерно 90-95% всех примесей, а для финишной очистки устанавливается еще один элемент с активированным углем для удаления оставшихся органических веществ, неприятного запаха и вкуса.

В наиболее сложных установках число фильтрующих узлов достигает 6, кроме того, они снабжаются специальным насосом для поддержания давления воды. Для микробиологической очистки воды используют ультрафиолетовые лампы. Обычно такие установки имеют емкость для сбора очищенной воды.

Далее рассмотрим теоретические основы процессов, на которых основана работа изучаемых фильтров для доочистки питьевой воды.

АДСОРБЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

Очистка воды методом адсорбции основана на извлечении из нее растворенных веществ поверхностью твердых тел- сорбентов. Адсорбция позволяет очищать воду от многих видов органических веществ при их малой концентрации. Эффективность адсорбционной очистки достигает 90-99% и зависит как от природы и величины удельной поверхности сорбента, так и состава и структуры извлекаемых веществ, присутствия в воде электролитов.

В зависимости от характера взаимодействия сорбента с растворенным в воде веществом (адсорбатом) различают: физическую адсорбцию, активированную адсорбцию и хемосорбцию. Физическая адсорбция протекает под действием сил межмолекулярного взаимодействия Ван-дер-Ваальса, не избирательна, обратима, отличается высокой скоростью и сравнительно низкой удельной теплотой адсорбции. Активированная адсорбция характеризуется тем, что молекулы адсорбата в процессе сорбции необратимо включаются в кристаллическую решетку сорбента. Такая адсорбция избирательна, протекает медленно, однако её скорость заметно возрастает при повышении температуры. Активированная адсорбция отличается высокими значениями удельной теплоты процесса. При хемосорбции протекает обычная химическая реакция на поверхности адсорбента, а количество выделяющейся теплоты эквивалентно теплоте химической реакции.

В качестве сорбента могут использоваться различные мелкодисперсные твердые вещества, обладающие значительной удельной поверхностью. Для адсорбции органических веществ из водных растворов, прежде всего, применяются активные угли, синтетические сорбенты. Полярные гидрофильные материалы: глина, силикагели, цеолиты – для адсорбции органических веществ из воды мало пригодны, так как энергия взаимодействия этих сорбентов с молекулами воды близка или превышает энергию адсорбции молекул органических веществ.

Процесс адсорбции складывается из трех стадий: перенос вещества из раствора к поверхности зёрен сорбента (внешнедиффузионная область), собственно адсорбционный процесс, перенос вещества внутри зёрен (внутридиффузионная область). В большинстве случаев скорость собственно адсорбции велика и не лимитирует процесс. Общая скорость адсорбции определяется скоростью подвода вещества к поверхности сорбента в результате внешней и (или) внутренней диффузии молекул.

Одним из основных критериев оценки адсорбционных свойств сорбента является изотерма адсорбции, определяющая зависимость активности адсорбента (Г) от концентрации растворенного вещества (адсорбата) в условиях равновесия при постоянной температуре. Для описания изотермы адсорбции наибольшее применение получили уравнения Ленгмюра

, (1)

где Гmax – предельная адсорбция, k1 – константа равновесия,

с – равновесная концентрация вещества в воде,

и Фрейндлиха

, (2)

где β и μ – эмпирические константы.

В случае разбавленных растворов уравнения Ленгмюра принимают вид, тождественный уравнению Генри, которому подчиняется распределение вещества между двумя фазами

, (3)

Таким образом, при малых концентрациях масса адсорбируемого вещества прямо пропорциональна его равновесной концентрации в растворе. Вещества, хорошо адсорбируемые из водных растворов активными углями, имеют выпуклую изотерму адсорбции, а плохо адсорбируемые – вогнутую.

Адсорбция неэлектролитов (бензола, нитробензола, хлороформа и др.) не зависит от величины рН, так как при всех её значениях количество недиссоциированных молекул постоянно и равно общей минерализации веществ. На адсорбцию слабых электролитов реакция среды оказывает заметное влияние. Наибольшее значение адсорбции наблюдается для оснований при рН = рК + 3, для кислот – при рН = рК-3 (где рН и рК – соответственно отрицательные логарифмы концентрации, точнее, активности водородных ионов, и константы диссоциации веществ).

Адсорбционная очистка воды осуществляется методами статической и динамической сорбции. В первом случае сорбент вводят в очищаемую воду в количестве, необходимом для достижения заданной концентрации адсорбата в воде, и поддерживают во взвешенном состоянии путем перемешивания в течение определенного времени, достаточного для установления равновесной концентрации.

Адсорбционная емкость сорбента Гi мг/мг в условиях статического режима работы определяется по формуле:

, (4)

где Гi – статическая адсорбционная ёмкость сорбента; соi – исходная концентрация адсорбента в растворе, мг/л; сi – равновесная концентрация адсорбата в растворе после сорбции, мг/л; Мс – масса навески сухого сорбента, мг; V – объем раствора, используемого в эксперименте, л; k - кратность разбавления раствора при выполнении анализа по определению концентрации вещества в растворе.

Динамическая адсорбция реализуется при фильтрации очищаемой воды через колонну, заполненную сорбентом. Процесс протекает по полупериодической схеме (непрерывный по воде и периодический по сорбенту) и широко используется в бытовых фильтрах, предназначенных для доочистки питьевой воды.

Длительность работы адсорбционного фильтра до появления в профильтрованном потоке воды удаляемого вещества в концентрации выше предельно допустимой концентрации и длина слоя сорбента связаны уравнением Н.А. Шилова

, (5)

где τ ф – период защитного действия фильтра; k – коэффициент защитного действия;

L – длина слоя адсорбента; τ 0 – потеря времени защитного действия.

Введение в уравнение величины τ 0 связано с тем, что “защитное действие” фильтра возможно только при условии, если длина слоя адсорбента больше некоторого минимального значения.

Процесс поглощения вещества из раствора сорбентом протекает не мгновенно, а требует времени, в течение которого концентрация в потоке падает с с0 до нуля, а сам элемент потока перемещается на расстояние L0. Этот участок слоя адсорбента, на котором концентрация вещества в потоке падает от с0 до нуля, называется “ работающим слоем ”. Поглощение работающего слоя по мере насыщения сорбента перемещается в направлении потока. Кривая, изображающая распределение адсорбированного вещества вдоль слоя (фронт адсорбционной волны), сохраняя постоянную форму, перемещается вдоль слоя параллельно самой себе (рис.3а), зеркальным отражением фронта адсорбции является кривая распределения остаточной концентрации вещества в потоке вдоль слоя сорбента (рис.3б).

τ

 

Рисунок 3. - Распределение адсорбата в неподвижной (а) и подвижной (б) фазах при движении потока раствора через неподвижный слой адсорбента (кривые 6, 7 отражают параллельный перенос фронта адсорбционной волны вдоль слоя).

Уравнение Шилова (5) позволяет определить время работы слоя адсорбента любой длины L> L0 , если для заданного режима адсорбции экспериментально установлены величины k и τ 0. Для определения k и τ 0 находят функцию распределения адсорбата в подвижной фазе при движении воды через неподвижный слой сорбента (рис.4). Графоаналитической обработкой этой функции получают зависимость периода защитного действия слоя адсорбента τ ф от длины слоя, которая позволяет определить величины Lм, L0, k и τ 0 (рис.4).

 

  L0 — длина работающего слоя; Lм — длина «мертвого слоя»; τ 0 — потеря времени защитного действия.

Рисунок 4.- Зависимость времени защит­ного действия слоя адсорбента τ пр от длины слоя L

Удельная динамическая адсорбция является важной характеристикой процесса динамической сорбции. В случае выпуклой изотермы адсорбции она рассчитывается по формуле:

, (6)

где с0 – исходная концентрация извлекаемого компонента, г/м3;

υ ф – скорость фильтрования, м/ч;

k – коэффициент защитного действия, ч/м.

Если вещество адсорбируется слабо, необходимо учитывать, что вещество в слое находится в виде раствора, заключенного не только в межзерновых пустотах, но и широких порах зёрен. В этом случае изотерма адсорбции имеет вогнутую форму, и удельная динамическая адсорбция определяется по формуле:

, (7)

где ε – порозность слоя загрузки м33.

ИОНООБМЕННЫЕ МЕТОДЫ

Ионообменные методы применяют для глубокой очистки сточных вод от ионов тяжелых и цветных металлов, для корректировки минерального состава (умягчения, снижения общего солесодержания, удаления фосфатов и других анионов) очищаемых вод.

Практическое применение в процессе водоподготовки получили синтетические ионообменные смолы, представляющие собой сшитые, нерастворимые в воде и органических растворителях, высокомолекулярные полиэлектролиты, способные обменивать подвижные ионы при контакте с растворами электролитов. При отрицательном заряде фиксированных групп, входящих в структуру молекулярного каркаса ионообменных смол, ионит обменивает подвижные противоионы – катионы – и называется катионитом, при положительном – обменивает анионы и относится к анионитам. Полимерные катиониты содержат кислотные группы: сульфогруппы, фосфорнокислые, карбоксильные, солянокислые и др. Аниониты (высокомолекулярные нерастворимые полиоснования) включают группы основного характера: четвертичные аммониевые, третичные сульфониевые и четвертичные фосфониевые основания, третичные, вторичные и первичные амины.

Находят применение и амфотерные ионообменные смолы (амфолиты), содержащие одновременно кислотные и основные группы.

Иониты с однотипными ионогенными группами называются монофункциональными, с разнотипными – полифункциональными. Иониты смешанного типа (полифункциональные) проявляют свойства сильной и слабой кислот, сильного и слабого основания. Например, катионит КУ – 1 содержит сульфогруппу и фенольную группу. По константе диссоциации ионогенных групп катиониты делят на сильно-, средне- и слабокислотные, аниониты – на сильно-, средне-, и слабоосновные.

Процесс переноса вещества при ионном обмене включает несколько стадий:

1) диффузия ионов из растворов через пограничную пленку жидкости к поверхности ионита;

2) диффузия ионов внутрь зерна ионита;

3) химическая реакция обмена ионов;

4) диффузия вытесненных противоионов из объема зерна к его поверхности;

5) диффузия противоионов от поверхности ионита в раствор.

При малой концентрации ионов в растворе наиболее медленной стадией, лимитирующей весь процесс в целом, является диффузия ионов через неподвижную пленку раствора, окружающего гранулу ионита.

Ионообменная реакция катионитов в Н- форме может быть представлена уравнением:

Ме+ + Н[K] ↔ Ме [K] + H+

Где Ме+ – катион в очищаемой воде; [К] – сложный комплекс катионита.

Если катионит находится в натриевой форме, обмен катионов проходит по реакции

Ме+ + Na[K] ↔ Ме [K] + Na+

При фильтровании воды через H – катионитовый фильтр в воду переходят протоны, и происходит повышение кислотности воды. При использовании ионита в натриевой форме щелочность воды практически не меняется.

Сильнокислотные катиониты позволяют проводить процесс в любых средах, а слабокислотные – в щелочных и нейтральных. Для наиболее полного использования обменной емкости анионита в статических условиях следует выбирать область

рН ≥ рК+2, в которой катиониты имеют высокую степень диссоциации (рК – отрицательный логарифм константы диссоциации ионогенной группы).

Как правило, в очищаемой воде содержится не один катион, а смесь катионов (Na, Ca, Mg, Fe, тяжелых и цветных металлов). В этих условиях важную роль играет селективность поглощения. К сульфокатионитам сродство катионов возрастает в следующем порядке:

Li+ < H+ < Na+ < NH4+ < K+ < Rb+ < Cs+ < Ag+ < Mg2+ < Ca2+ < Sr2+ < Ba2+

Сродство растет с увеличением валентности катионов

Na+< Ca2+< Al3+< Th4+

В случае слабокислотных карбоксилсодержащих катионитов соблюдается аналогичная зависимость при увеличении валентности, но внутри ряда селективности наблюдается обратный порядок.

H+> Ca2+ > Mg2+> Li+> Na+> K+> Rb+ > Cs+

Cu2+ > Co2+> Ni2+ > Ca2+ > Mg2+ (катионит КБ-4)

Бифункциональные смолы, например, с метиленфосфоновыми группами показывают смешанный порядок селективности

Th4+≈ U4+ > UO22+ > Fe3+ > La3+ > H+ > Ca2+ > Ba2+ > Cs+ > Rb+ ;

Ca2+ > Sn2+; Li+ > Na+ > K+ (в щелочной среде);

K+> Na+ > Li+ (в кислой среде).

На обменную емкость катионита может оказывать влияние абсолютная концентрация катионов в очищаемой воде. Например, динамическая емкость катионита КУ-2 по Zn для сточной воды, содержащей ZnSO4, Na2SO4 и Н2SO4, резко увеличивается с повышением степени разбавления сточной воды.

В анионитах молекулярный каркас имеет положительный заряд, который компенсируется подвижными анионами, за счет которых осуществляется анионный обмен с растворами электролитов.

Слабоосновные аниониты обменивают анионы сильных кислот, например, SO42-, Cl-, NO3-, PO43- и не способны к обмену анионов слабых минеральных кислот (CO32-, SiO3 2- и др.)

[A](OH)2 + H2SO4 ↔ [A]SO4 + 2 H2O

Четвертичные аммониевые группы сильных ионитов образуют при диссоциации ОН- - ионы. Сильноосновные аниониты способны обменивать ОН – ионы на анионы растворенных в воде слабых кислот только при отсутствии в воде сильных кислот и их солей. Аниониты обладают неодинаковой поглотительной способностью по отношению к различным анионам обычно сродство ионита к анионитам увеличивается с ростом их молярной массы и заряда, а также зависит от типа анионита и условий ионного обмена. Сильноосновные аниониты вступают в реакцию анионного обмена с растворами солей в кислой, нейтральной и слабощелочной средах. Слабоосновные аниониты взаимодействуют с анионами солей только в кислых средах, причем полнота обмена возрастает с увеличением кислотности среды.

Характерной особенностью ионитов, важной для их практического использования, является их обратимость, т.е. возможность проведения реакции в обратном направлении. Это позволяет проводить регенерацию ионитов. Регенерация катионитов осуществляется промывкой растворами сильных кислот (Н – форма) или концентрированным раствором солей Na (Na –форма). Регенерация слабоосновных анионитов - 2-4% -ными водными растворами NaOH, Na2CO3 или 5-10% растворами NH4OH.

Важнейшей физико-химической характеристикой ионитов является обменная емкость, которая определяется количеством способных к ионному обмену фиксированных ионов в единице массы сухого или единице набухшего ионита и выражается в мг-экв/г или мг-экв/см3.

Различают несколько видов обменной емкости: полную, по отдельным типам активных групп и равновесную. Полная обменная емкость определяется общим количеством всех активных групп ионита, вступающих в реакцию ионного обмена. Значение этой величины всегда постоянно для определенного образца ионита. Значение обменной емкости по отдельным активным группам также постоянно для образца ионита. Значение равновесной обменной емкости ионита непостоянно и зависит от рН среды, концентрации раствора электролита, свойств обменивающихся ионов и др. факторов. На практике применяют 2 основных метода определения обменной емкости ионитов: статический и динамический. В первом случае навеску ионитов приводят в контакт с определенным объемом электролита до установления ионообменного равновесия. Динамический метод реализуется при пропускании раствора электролита через колонку, заполненную ионитом, до “ проскока ”, т.е. до насыщения ионитов поглощаемыми ионами.

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Очистка воды электрохимическими методами заключается в осуществлении процессов восстановления или окисления загрязняющих веществ на электродах под действием электрического поля. Эффект извлечения из воды загрязнителей и их обезвреживания основан на протекании следующих электрохимических реакций:

1) реакции, сопровождающиеся окислительной деструкцией загрязняющих компонентов;

2) реакции, продукты которых являются менее токсичными, чем исходные компоненты;

3) реакции, сопровождающиеся выделением металлов или образованием трудно растворимых соединений.

При воздействии электрического поля протекают не только электрохимические реакции с участием молекул загрязнителей, но и в той или иной степени воды: на катоде происходит её восстановление с образованием газообразного водорода и гидроксил - анионов; на аноде вода окисляется с выделением кислорода и протонов. Анодное окисление воды сопровождается появлением на поверхности анода атомарного кислорода – сильного окислителя, а катодное восстановление обеспечивает существование на поверхности катода атомарного водорода – сильного восстановителя.

Процессы взаимодействия веществ с адсорбированными атомами кислорода и водорода называют электрокаталитическими, и они играют важную роль в электролитических методах обработки воды.

В качестве материалов для анода могут служить металлы, которые в водных растворах обладают устойчивостью при потенциалах выделения кислорода. Этому требованию удовлетворяют металлы платиновой группы. В качестве электродных материалов широко используются различные модификации графита, оксиды металлов, имеющие высокую электропроводность и достаточную химическую стойкость (оксиды меди, железа, кобальта, никеля). Практическое применение нашли электроды, выполненные из титана, на поверхность которых наносится слой высших оксидов рутения или кобальта.

При выборе катодного материала в зависимости от назначения и условий проведения очистки воды основным показателем является величина перенапряжения при выделении водорода. Для процессов обработки воды, в которых катодная реакция обеспечивает выделение металлов, перевод вещества в менее токсичные соединения, целесообразно использовать электроды, имеющие высокое перенапряжение при выделении водорода (графит, цинк и др.)

Анодная электрохимическая обработка воды приводит к окислению токсичных органических и неорганических соединений до нетоксичных, возможна и их глубокая деструкция с образованием газообразных веществ: СО2, N2 и др. Окисление загрязнителей возможно как в результате непосредственного участия примесей в электродной реакции, так и под действием промежуточных соединений – окислителей, генерируемых на аноде.

Следует отметить, что по механизму прямого электрохимического окисления обезвреживаются далеко не все органические соединения, большая их часть окисляется в результате генерации на аноде окислителей, наиболее вероятными из которых являются кислород, хлор и кислородсодержащие соединения хлора.

Хлорид-ионы присутствуют в природных водах, и при электролитической обработке на аноде выделяется молекулярный хлор:

Сl- - ē → Clадс

Clадс + Сl- - ē → Cl2

Выделяющийся на аноде хлор растворяется в воде при рН 4 ÷ 7 с образованием хлорноватистой кислоты:

Сl2 + H2O ↔ HClO + HCl

В щелочной среде (pH > 7) образуются ионы гипохлорита

HClO + OH- → H2O + ClO-

Образовавшиеся на аноде окислители могут взаимодействовать с компонентами примесей в объеме очищаемой воды. Рассмотрим этот процесс на примере окисления фенола

 

CH - COOH

+ 8 HClO → ║ + 8 HCl + 2 CO2 + H2O

CH – COOH

 

 

CH - COOH

+ 8 Cl2 + 7 H2O → ║ + 16 HCl + 2 CO2

CH - COOH

 

+ 14 O→ 6 CO2 + 3 H2O

 

Таким образом, хлорид - ионы выступают своеобразным катализатором процесса окисления. Окислитель генерируется из уже присутствующих в воде ионов, а затем снова восстанавливается в процессе очистки воды в хлорид-анионы.

Процессы электрохимического окисления, к сожалению, лишены селективности и могут протекать по различным направлениям, что обуславливает присутствие в продуктах соединений различной степени окисления. В связи с этим необходимо учесть появление всех вероятных продуктов окисления и оценить их токсичность.

При катодном восстановлении возможен перевод загрязняющих веществ в легко выводимую форму (осадок, газ) или в менее токсичные соединения. Например, на катоде возможно восстановление нитратов до нитритов:

NH4NO3 + 2H+ + 2ē → NH4NO2 + H2O

Нитрит аммония легко разлагается при нагревании с образованием азота

NH4NO2 N2+ 2 H2O

Для катодного восстановления характерны реакции дегалоидирования. Потеря атома галогена часто лишает соединение токсичности

RCl + 2ē + H+ → RH + Cl-

Катионы металлов могут восстанавливаться на катоде с образованием металлического осадка. Возможность извлечения ионов того или иного металла из воды путем электролиза, прежде всего, определяется величинами стандартного равновесного потенциала металла, потенциала его катодного осаждения и потенциала выделения на катоде водорода. Для металлов, расположенных в ряду активности между алюминием и водородом и имеющих отрицательное значение стандартного потенциала (Cd, Ni. Pb, Cr, Zn и др.), процесс выделения на катоде будет происходить одновременно с разрядом ионов водорода. Однако принципиальная возможность выделения на катоде таких токсичных металлов, как: свинец, кадмий, цинк, олово, никель и др. - обеспечивается тем, что их восстановление начинается уже при незначительных превышениях потенциалов по сравнению с их равновесными значениями. Напротив, разряд ионов водорода на таких металлах осложнен относительно высоким перенапряжением при выделении водорода. Это обстоятельство позволяет принципиально использовать электролиз для очистки от ионов даже таких металлов, как: цинк, олово, свинец - имеющих весьма значительные отрицательные значения равновесных потенциалов.

Такие металлы, как ртуть, серебро, медь – имеют положительное значение стандартного потенциала, и разряд на катоде их катионов энергетически более выгоден, чем разряд катионов водорода. Для извлечения металлов из разбавленных растворов наиболее эффективны и обладают высокой производительностью электролизеры с объемными электродами, имеющими развитую катодную поверхность.

 

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

 

В данной работе используются 3 типа фильтров для очистки воды: “Аквафор – В300”, “Гейзер - М”, “Родник 3М ”, установка для очистки питьевой воды “Изумруд-С” (Сапфир), которые расположены на вертикальной панели стенда “Методы очистки воды”.

Схема лабораторной установки “Методы очистки воды ” представлена на рис.5. На вертикальной панели закреплены гидросистема (1) для подвода воды, фильтры “Аквафор В300” (3), “Гейзер - М” (4), “Родник -3М” (5) и очистительная установка “Изумруд-С” (6).

Гидросистема 1 имеет основную водную магистраль и пять отводных каналов подвода воды. На каждом из отводных каналов установлены шаровые краны 2. Фильтры и очистительная установка присоединены к четырем каналам подвода воды, а пятый канал предназначен для отбора проб неочищенной водопроводной воды. Подвод воды к гидросистеме 1 осуществляется от системы водопровода холодной (питьевой) воды.

 

 

    1- гидросистема; 2 - шаровые краны; 3 –фильтр“Аквафор B300”; 4 – фильтр “Гейзер -М”; 5 – фильтр “Родник 3М”; 6- установка “Изумруд - С”; 7 – гибкие шланги.

 

Рисунок 5. - Схема лабораторной установки по доочистке питьевой воды






© 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.