Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
89150221144 Москва, Ленинградский проспект 7
КАТАЛИТИЧЕСКИ АКТИВНЫЙ ФИЛЬТРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ – МЖФ
Разработка нового материала, названного позднее МЖФ, и последующее развитие его производства начались в 1999г с целью решения проблемы эффективной очистки воды от ионов тяжелых металлов. При подготовке питьевой воды эта проблема сводится в основном, к эффективному осуществлению процессов обезжелезивания и деманганации. Материалы способные эффективно удалять растворенные в воде марганец, и при концентрациях выше 4 – 5 мг в литре, железо без коррекции значения рН очищаемой воды или, иными словами, без дозирования реагентов щелочной природы, на рынке зернистых загрузок в это время отсуствовали.
Причины, определяющие необходимость коррекции значения рН очищаемой воды в процессе обезжелезивания и деманганации,обусловлены стехиометрией окислительно-восстановительных и гидролитических равновесий, приводящих к образованию нерастворимых гидратированных оксидов железа и марганца:
4Fe2+ + O2 + 10 H2O Û 4Fe(OH)3 + 8H+ (1)
2Mn2+ + O2 + 2 H2O Û 2MnO2 + 4H+ (2)
Из приведенных реакций видно, что при окислении и превращении одного иона металла в нерастворимую форму (гидроксид железа и диоксид марганца) образуется 2 иона водорода. На сульфатном или хлоридном фоне, поскольку ионы водорода образующиеся по реакциям (1,3) являются практически не связанными с кислотными остатками (т.е. с хлоридионом – Cl- и сульфатионом – SO42-), окисление 1 мг железа или марганца в 1 литре воды приводит к понижению значения рН на 2,5 единицы, что равнозначно увеличению концентрации свободной кислоты в ~250 раз. Если анионный фон гидрокарбонатный или карбонатный, понижение значения рН несколько ниже за счет связывания ионов водорода в результате протекания следующих реакций -
HCO3- + H+ Û H2CO3 Û CO2 + H2O (3)
CO32- + 2H+ Û H2CO3 Û CO2 + H2O (4)
Как правило природные воды, в том числе и артезианская вода, содержат хлориды,
сульфаты и гидрокарбонаты; но в любом, даже самом выгодном случае – на фоне
НСО-3, в отсутствии сульфатов и хлоридов, материалы не корректирующие значение рН очищаемой воды могут эффективно использоваться при очистке природных вод, содержащих железо не более 5 мг/л и имеющих нейтральную или слабощелочную реакцию. Марганец же, материалами не корректирующими рН очищаемой воды, практически не удаляется. Не удаляются такими материалами и все другие тяжелые металлы.
Материал эффективно удаляющий из воды ионы тяжелых металлов должен быть способен вовлекать растворенные соединения металлов в такие химические реакции, которые приводят к образованию твердых продуктов, например гидроксидов. Растворимость соединений, в виде которых удаляются примеси загрязняющие воду, и определяет в первую очередь, эффективность очистки от того или иного металла. Так растворимость Fe(OH)3 имеет значение 4,8 * 10-9 % или 0,0003 мг/л, так же и растворимость MnO2 имеет практически нулевое значение, что делает возможным очистить воду от этих металлов до остаточных значений концентраций на несколько порядков меньше норм предусмотренных СанПиНом. Вторым фактором является каталитическая активность, то естьспособность материала ускорять реакции окисления растворенных соединений металлов. Если бы двухвалентное железо не успевало окислятся при общепринятых скоростях фильтрования, и извлекалось в форме гидрата закиси - Fe(OH)2 , то остаточная его концентрация в растворе, обусловленная растворимостью гидроксида двухвалентного железа составила ~ 1 мг/л, аналогично обстоит дело и с марганцем.
Таким образом, материал эффективно удаляющий из воды железо и марганец должен обладать двумя основными свойствами – способностью не только нейтрализовать кислоты растворенные в исходной воде, например СО2 , и образующиеся в результате реакций окисления и гидролиза ионов металлов, так и поддерживать значение рН воды в приграничном слое гранулы, необходимое для выпадения осадка соответствующего гидроксида, (например для образования Mn(OH)2 значение рН должно быть не менее 10), при этом усредненное значение рН очищенной воды должно оставаться в рамках СанПиновских норм; и высокой каталитической активностью в реакциях окисления.
Именно таким материалом и является МЖФ.
МЖФ – корректирующий рН, каталитически активный фильтрующий материал.
МЖФ - пористый материал, состоящий из смеси оксидов и карбонатов кальция и мания в первую очередь, а также оксидов алюминия и кремния. В его порах закреплен каталитически активный компонент – диоксид марганца, равномерно распределенный по объему зерна. Равномерность распределения по объему гранулы каталитически активного компонента обеспечивает стабильность работы материала при длительной его эксплуатации, поскольку при истирании гранул химический состав поверхности не изменяется.
МЖФ – является продуктом переработки доломитизированных пород. Кроме оптимальных кислотно-основных свойств исходного сырья при его выборе, учитывались и другие его свойства – такой существенный фактор, как например слеживаемость, что характерно для материалов на основе разновидностей активного кремнезема. Действительно, длительный контакт гранул кремнезема - SiO2 , той или иной модификации, со щелочным раствором солей металлов (Ca, Mg, Fe, Mn...) рано или поздно, в зависимости от значения рН раствора, приведет к образованию аморфных гелей гидросиликатов обладающих вяжущими свойствами. Силикат кальция – основа портланд цемента, например. В случае МЖФ, синтезированного на основе карбонатов кальция и магния причины химической природы обуславливающие способность материала слеживаться исключены.
МЖФ - твердая буферная система корректирующая рН очищаемой воды. При потоках принятых для режима фильтрации 1 – 2,5 л/мин/дм2, независимо от рН исходной воды и концентрации в ней железа и марганца, значение рН очищенной воды колеблется в диапазоне 7 – 8.
МЖФ – не является расходуемым окислителем; это каталитически активный материал способный ускорять реакции окисления кислородом воздуха как неорганических соединений, двухвалентных железа и марганца в первую очередь и сероводорода, так и некоторых органических веществ. МЖФ не имеет противопоказаний к применению других окислителей озона, гипохлорита натрия перманганата калия.
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ МЖФ
Значение водородного показателя – рН
Значение рН исходной воды не имеет значения и не сказывается на эффективность работы МЖФ в процессе деманганации и обезжелезивания.
Содержание сульфатов и хлоридов
Соотношение гидрокарбонатов к суммарному содержанию сульфатов и хлоридов не влияет на эффективность работы МЖФ и на значение рН очищенной воды, которое всегда остается в интервале 7 – 8.
Применение окислителей
Поскольку МЖФ является катализатором реакций окисления, то есть веществом участвующим в реакции, но не расходующимся по мере ее протекания, для очистки воды от железа и марганца и других окисляющих воду загрязнений необходимо применять, впрыскивая его в поток, какой либо окислитель – кислород воздуха, озон, гипохлорит натрия, перманганат.
Кислород
Кислород (воздушная смесь) является наиболее предпочтительным окислителем в силу доступности, безопасности, отсутствия токсичности и высокой эффективности в процессах деманганации, обезжелезивания и очистки от H2S. Воздух подается в водный поток с помощью эжектора или компрессора.
Значение концентрации кислорода растворенного в воде необходимое для эффективного удаления, например железа легко определяется по стехиометрии реакции 1 (стр. 1). Из расчета следует, что на 1мг растворенного железа расходуется 0,143 мг кислорода, то есть чуть менее 15%. На один миллиграмм растворенного марганца необходимо 0,291 мг, или ~ 30% кислорода. Таким образом, необходимая концентрация растворенного кислорода для удаления Fe и Mn определяется по следующей формуле:
CFe*0,15 + CMn*0,3 = CК
где СК – концентрация растворенного кислорода в мг/л,
СFe- концентрация растворенного железа в мг/л,
CMn- концентрация растворенного марганца в мг/л.
Проиллюстрируем сказанное примером:
пусть CFe= 20 мг/л; CMn= 2 мг/л, тогда концентрация растворенного кислорода необходимая для окисления растворенных железа и марганца –
СК = 20*0,15 + 2*0,3 = 3,6 мг/л
Растворимость воздуха (содержание О2 в воздухе ~23% вес.) при атмосферном давлении и температуре 20С0 составляет 24,2 мг/л, концентрация же кислорода составит при этом 5,57 мг/л. Таким образом, равновесное значение растворимости воздуха позволяет создать в очищаемой воде концентрацию кислорода превышающую ее стехиометрическое значение. Не смотря на это, в практике водоочистки на напорных фильтрах, для достижения необходимых скоростей реакций окисления с целью обеспечения требуемой производительности аппарата, необходимы существенные превышения содержания кислорода в водном потоке сверх стехиометрического за счет принудительной подачи воздуха в поток очищаемой воды, что достигается применением компрессора или эжектора. Сказанное в первую очередь относится к водам подземных источников водоснабжения, где в отличии от поверхностных источников водоснабжения, содержание кислорода в водах которых колеблется как правило в пределах от 0 до 14 мг/л (как правило не менее 5 мг/л, так как при меньшем содержании происходит массовый замор рыбы), растворенного кислорода нет вовсе, что делает необходимым использование эжектора или компрессора.
Гипохлорит натрия и перманганат калия
Не смотря на ряд преимуществ атмосферного кислорода, в ряде случаев в качестве окислителей применяются водные растворы гипохлорита натрия – NaClO или перманганата калия – KMnO4, что обуславливается, например необходимостью обеззараживания воды, или необходимости проведения процессов удаления неорганических загрязнений на фоне высоких концентраций органических соединений, маскирующих за счет образования прочных комплексов ионы удаляемых металлов. В этих случаях, в отличии от большинства каталитически активных загрузок, содержащих в качестве каталитически активного компонента MnO2- диоксид марганца, МЖФ не имеет противопоказаний к применению.
Концентрация окислителя в растворе дозируемого в поток очищаемой воды определяется суммарным содержанием в ней восстановителей микроорганизмов, органических молекул, восстановленных форм ионов металлов с переменной валентностью, ионов аммония, нитритов и т.д.
Содержание двухвалентных железа и марганца
МЖФ способен извлекать двухвалентные железо и марганец практически при любом их содержании в воде. Вместе с тем, для общепринятых потоков в режиме фильтрации и высоты слоя загрузки,существует практический предел по концентрации двухвалентных Fe и Mn в исходной воде, определяемый максимальной общей емкостью материала, иными словами количеством железа и (или) марганца, которое задерживает 1 литр загрузки, после чего необходима обратная промывка. Для МЖФ значение максимальной общей емкости составляет от 1,2 до 7г на 1 литр загрузки. Емкость не является некой константой характеризующей материал. Ее величина зависит от состава исходной воды, причем не только от абсолютных концентраций металлов, но и от соотношения Mn/Fe, а также от выбраного режима эксплуатации, например от способа подачи воздуха и соответственно от содержания кислорода в потоке. Сказанное хорошо иллюстрируется приводимыми ниже двумя примерами.
Пример 1:
- содержании в воде:
двухвалентного железа ~ 20 мг/л,
марнанца ~ 1,8 мг/л,
- объем загрузки 50 л,
- высота слоя 70 см,
Данный пример не является условным. Установка с именно такими параметрами одна из многих, и эксплуатируется на одной из скважин Ленинградской области (п. Токсово) в течении 1,5 лет.
Пример 2:
Скважина в г.Зеленогорске (Лен. область)
железа 5,6 мг/л
марганца 0,56 мг/л
- объем загрузки 30 л,
- высота слоя 70 см,
- скорость потока 1.1 л/мин/дм2 (производительность по воде 300 л/час)
Показатели очищенной воды в обоих случаях одинаковы -
содержание в очищенной воде:
- железо (суммарное) ~ 0,1 мг/л
- марганец < 0.1 мг/л
Из сравнения приведенных примеров явно видна зависимость производительности водоподготовки от содержания кислорода, как следствие способа подачи его в поток. Разница в производительности объясняется понижением скорости реакций окисления Fe(II) и Mn(II) с уменьшением содержания кислорода при аэрации воды по сравнению с эжектированием воздуха в поток. Применяя лишь аэрирование, воду с содержанием растворенных металлов, как в примере 1, нужно было бы очищать до норм предусмотренных СанПином при совершенно неприемлемых скоростях фильтрации. При содержании железа выше 40 мг/л становиться неэффективным и эжектирование; применяя же для нагнетания в поток воздуха с помощью компрессора, можно работать и при граммовых концентрациях железа и марганца.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Геометрическая форма гранул |
Гранулы неправильной формы |
|
Цвет |
Коричнево-бурый |
|
Размер частиц, мм. |
0,5-1,6 (другой размер по заказу) |
|
Коэффициент однородности |
не более 2,2 |
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ.