ФИЛЬТРУЮЩИЕ СРЕДЫ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ Шевчук Е.А., Малецкий З.В., Шенкарук Е.Н., Бойко Т.Р., Олефиренко Г.Ф. Национальный технический универ

Наиболее типичными примесями, одновременно присутствующими в большинстве источников водоснабжения населенных пунктов Украины являются соли жесткости, соединения железа, марганца, алюминия, нитратов, аммония, органические вещества природного происхождения. Уровни концентраций этих компонентов в воде подземных и поверхностных источников различны. Так, для артезианской воды, помимо солей жесткости, характерно также избыточное присутствие ионов железа и марганца, в ряде случаев, аммония, нитратов, реже — органических соединений. Содержание же последних в водопроводной воде практически всегда достаточно высокое, несмотря на предварительную централизованную подготовку, которую проходит поверхностная вода перед подачей потребителям. Содержание ионов жесткости, железа, марганца в водопроводной воде обычно ниже, чем в артезианской, в то же время в ней присутствует алюминий. Как для артезианской, так и для водопроводной воды одновременное удаление названных примесей является наиболее актуальной задачей при получении  питьевой и технической воды.

Технологические схемы, позволяющие решать такие проблемы, как правило,  предполагают последовательную многостадийную обработку воды с использованием ряда регенерируемых (ионообменные смолы, неорганические сорбенты) и нерегенерируемых (активированные угли) сорбционных материалов. Затраты на подготовку воды в этом случае с учетом необходимого оборудования и материалов достаточно высоки, а экологический ущерб — существенен.

Появление на рынке водоподготовки комплексных фильтрующих загрузок позволило решать такие задачи в одну стадию и в одном аппарате. Успех решения (качество очищенной воды, минимальные капитальные затраты и эксплуатационные расходы на очистку воды, максимальный срок службы загрузки) при этом полностью зависит от правильного выбора и качества используемой загрузки.

Впервые такая комплексная многофункциональная загрузка Ecomix была предложена компанией ЭКОСОФТ в 2001 году. Как следует из обзора существующей информации, появлению на рынке водоподготовки этой загрузки предшествовали всесторонние научные исследования в области материалов и технологий очистки воды различного назначения [1-3], опытные испытания различных видов загрузок, патентное подтверждение разработок [4, 5], медико-токсикологические исследования [6], разработка технических условий и технологического регламента производства [7], организация производства продукции, а также маркетинговая и рекламная кампании [8, 9].

Фильтрующая загрузка Ecomix предназначена для очистки питьевой воды, а также воды для бытовых и технологических нужд. Загрузка представляет собой запатентованную композицию сорбционных и фильтрующих материалов с заданными свойствами, позволяющими осуществлять одновременно умягчение воды, а также удаление из нее железа, марганца, аммиака, алюминия, сероводорода, органических веществ природного происхождения и др. [4, 5]. В зависимости от состава исходной воды и требований к очищенной воде Ecomix производится типов А, Р, С, СВ, которые отличаются природой и соотношением компонентов, входящих в состав загрузки.  Использование всех типов загрузки обеспечивает  сохранение физиологически сбалансированного минерального состава  очищенной воды, соответствующего нормативным требованиям безопасности. Загрузка поставляется потребителям как в составе установок водоподготовки, так и в виде самостоятельной продукции.

Многолетний опыт использования загрузки Ecomix показал ее абсолютную надежность для решения различных задач комплексной очистки воды, как в составе бытовых установок, так и в промышленных системах, вне зависимости от ионного состава воды и формы присутствия в ней удаляемых примесей [3].

В последнее время на рынке водоподготовки появились фильтрующие загрузки аналогичного назначения – Filtrosmart (производства компании “Гидротехинжиниринг”) и JurbyMix (Jurby Watertech International). К сожалению, в доступных источниках отсутствует информация, помимо рекламной, об изучении свойств новых загрузок и опыте их эксплуатации [10, 11].

Целью настоящей работы является проведение сравнительных испытаний различных фильтрующих загрузок и оценка их эффективности для комплексной очистки воды.

Испытания проводились на базе Лаборатории ионного обмена и адсорбции НТУУ “КПИ”. Исследовалась эффективность работы загрузок для очистки артезианской воды в циклическом режиме “сорбция – регенерация раствором NaCl” в условиях, полностью имитирующих процесс очистки воды в локальных установках водоподготовки. Усредненный состав артезианской воды представлен в таблице 1.

Таблица 1 – Усредненный состав исходной воды

Исследованиям подвергали образцы фильтрующих загрузок комплексного действия Ecomix A, Filtrosmart, JurbyMix, отобранные из тары изготовителя в соответствии с существующими требованиями. Закупка загрузок производилась на общих основаниях. Визуальный анализ показывает, что при изготовлении разных загрузок использовались различные иониты, однако во всех случаях основная доля  приходится на сильнокислотные гелевые катиониты.

В ходе эксперимента было осуществлено по 14 циклов “сорбция-регенерация” на установках с изучаемыми загрузками в соответствии с режимами, указанными в таблице 2. Очищаемая вода подавалась параллельно на все три установки. В ходе экспериментов анализировали содержание ионов жесткости, железа, марганца в исходной, очищаемой воде и регенерационном растворе. Содержание компонентов определяли с периодичностью 20 уд. об. на стадии очистки воды и 1 уд. об. на стадии регенерации. Выведение установок на регенерацию производилось по  достижению в очищенной воде проскоковой концентрации по ионам жесткости, которая составляла 2 мг-экв/л. Регенерация загрузок проводилась раствором хлористого натрия. Расход регенерационного раствора был одинаковым для всех исследованных образцов.

Значение емкости по всем компонентам определяли по следующей формуле:

 где Е – емкость по компоненту, г-экв/л, г/л;

а – объем очищенной воды до проскоковой концентрации, уд. об. (л-раствора/л-загрузки);

С0– концентрация компонента в исходной воде, г-экв/л для ионов жесткости, г/л – для других ионов;

C(V) – функция, описывающая зависимость концентрации компонента в очищенной воде от объема пропущенной воды.

Результаты экспериментов были обработаны с использованием библиотек математического моделирования пакета Origin 8 и системы MathCAD для получения усредненных выходных кривых процессов очистки воды от соответствующих загрязнений. Степень отклонения расчетной средней выходной кривой от экспериментальных данных не превышала 2%.

 Таблица 2 – Режимы проведения экспериментов

На рисунке 2 приведены усредненные выходные кривые сорбции ионов жесткости, железа и марганца изучаемыми загрузками, а в таблице 3 — усредненные значения длительности фильтроциклов.

Таблица 3 – Средняя длительность фильтроциклов и приведенный расход соли на очистку 1 м³ воды различными загрузками

Анализ результатов показывает, что наиболее глубокая очистка по всем компонентам и максимальная продолжительность фильтроцикла достигается на загрузке Ecomix A (таблица 3).

Особое внимание следует обратить на то, что при использовании загрузки Filtrosmart в конце фильтроцикла концентрация марганца в очищенной воде превышает исходную. Это вызвано тем, что используемые при изготовлении загрузки иониты обладают наименьшей селективностью действия по отношению к марганцу, в результате чего по мере заполнения ионитов марганец вытесняется из них железом и/или ионами жесткости, селективность используемых ионитов к которым выше. Дать более подробный анализ механизма процесса не представляется возможным из-за отсутствия информации о составе загрузки Filtrosmart. Резкое ухудшение качества воды вследствие проявления эффекта различия в селективности загрузки Filtrosmart по отношению к удаляемым компонентам может представлять реальную угрозу для здоровья потребителей.

В таблице 3 приведены также средние значения  приведенного расхода соли на очистку 1 м³ воды различными загрузками, из которых следует, что по сравнению с ECOMIXом использование JurbyMix требует увеличения расхода соли более чем на 10%, а             Filtrosmarta – более, чем на 30%.

На рисунке 3 приведены данные об изменении длительности фильтроциклов в ходе испытаний. Из приведенных данных следует, что длительность фильтроцикла за 14 циклов “сорбция-регенерация” для Ecomix A уменьшилась на 0,5%, т.е. практически не изменилась, в то время как для Filtrosmart – уменьшилась на 10%, а для JurbyMix – на 20%. Можно предположить, что это вызвано отравлением сильнокислотных катионитов, входящих в состав всех изучаемых загрузок, ионами железа. Для проверки этого предположения были рассмотрены данные по регенерации загрузок (таблица 4).

Степень регенерации загрузок была рассчитана из следующего соотношения:

где R – степень регенерации, %;

mдес – суммарное количество вещества, десорбированного в процессе регенерации, мг, мг-экв;

mсорб – суммарное количество вещества, сорбированного в процессе очистки воды, мг, мг-экв.

Таблица 4 – Степень регенерации ® загрузок от различных компонентов

Как показывают данные, приведенные в таблице 4, степень регенерации всех загрузок от железа ниже 100%. Это свидетельствует о факте необратимого накопления железа в загрузках в процессе эксплуатации. Поскольку в воде, подаваемой на очистку в ходе эксперимента, железо находится только в степени окисления +2, резонно предположить, что его удаление протекает на катионитах, присутствующих во всех исследуемых загрузках. Как известно, сорбированное железо (II) окисляется в фазе катионита с образованием гидроокиси железа (III), которая, в свою очередь, закупоривает поры и затрудняет доступ других ионов, в частности, жесткости, к функциональным группам. Таким образом отравляется катионит. Восстановление свойств последнего возможно только после обработки кислотой. В загрузке Ecomix  степень регенерации от железа максимальна, поскольку в этой загрузке предусмотрена защита катионита от отравления железом, в то время как в других загрузках, по-видимому,  – нет. Именно это является причиной столь резкого снижения длительности фильтроциклов  загрузок JurbyMix и Filtrosmart при многоцикловой работе.

Таким образом, результаты проведенных исследований показали следующее:

-    все исследованные загрузки способны комплексно удалять из артезианской воды ионы жесткости, железа и марганца до уровня, соответствующего требованиям ГОСТ;

-    максимальная глубина очистки артезианской воды от всех перечисленных примесей при максимальном сроке эксплуатации и минимальных эксплуатационных расходах достигается при использовании загрузки Ecomix A;

-    при использовании всех загрузок наблюдается снижение эффективности их действия, обусловленное отравлением входящих в состав загрузок сильнокислотных катионитов ионами железа (II). Степень снижения возрастает в ряду:   Ecomix A (0,036 %/цикл) < Filtrosmart (0,7 %/цикл) < JurbyMix (1,4 %/цикл);

-    при эксплуатации загрузки Filtrosmart следует опасаться возможного выброса ионов марганца в очищаемую воду до уровня, превышающего их содержание в исходной воде.

В заключение необходимо отметить, что настоящие исследования проводились с использованием артезианской воды с низким содержанием гуминовых веществ, в которой железо и марганец присутствуют в виде простых ионов, и сорбция ничем не осложнена. Для очистки воды более сложного состава, где железо и марганец присутствуют в разных степенях окисления и образуют соединения с различной степенью диссоциации, может быть рекомендована только загрузка Ecomix, достаточно полно исследованная и доказавшая свою универсальность. Применение других загрузок требует тщательной проверки как в лабораторных, так и в реальных условиях.

Литература

1. Makarova N., Mitchenko T., Mitchenko A., Shevchuk H., Abbt-Braun G. Composition of Sorbents for Complex water Purification // Proceeding of IEX 2004, Ion exchange technology for today and tomorrow – Churchill College, Cambridge, 4-8 July 2004. – P. 319 – 327.

2. Макарова Н.В., Митченко А.А., Поляков В.Р., Стендер П.В. Комплексная очистка воды с использованием комбинированной загрузки ЭКОСОФТ МИКС / Вода и водные технологии,  № 2, 2004. — С.20-23.

3. Макарова Н.В., Митченко Т.Е., Митченко А.А., Стендер П.В. Полифункциональная загрузка для одностадийной комплексной очистки воды / Сборник докладов VII Международного конгресса “Вода: экология и технология ЭКВАТЭК-2006”, 2006.

4. Мітченко Т.Є., Стендер П.В., Макарова Н.В., Мітченко А.О. Спосіб очистки та кондиціювання питної води. / Патент UA № 36461 А, 2001.

5. Митченко Т.Е., Митченко А.А., Макарова Н.В., Стендер П.В. Фильтрующая загрузка для комплексной очистки воды / Патент РФ 2305001, 2007.

6. Висновок державної санітарно-гігієнічної експертизи “Сорбенти спеціального призначення Екософт СО, Екософт СЖ, Екософт МІКС для водопідготовки” № від .

7.ТУУ “Сорбенти спеціального призначення для водопідготовки”.

8.

9.

10. http//

11.