• интернет-магазин
    0
  • Карта качества воды
  • О компании
  • Партнёрам
  • Потребителям

Чёрная пятница! С 16.11 по 04.12 скидки до -25% на фильтры для очистки воды

Каталитические загрузки в водочистке

21.11.2020

Проблемы воды, вызываемые железом и марганцем

Очистка воды аэрацией

Загрузки на основе диоксида марганца

Сероводород в воде: решение проблемы

Какие каталитические загрузки используются в современной водоподготовке?

Условия работы каталитических материалов

Реагентные и безреагентные каталитические загрузки

Недостатки каталитических материалов


Каталитические загрузки – это природные или искусственные материалы, содержащие на поверхности или в пористой структуре гранул катализатор окисления (в большинстве случаев диоксид марганца – MnO2), который создает каталитический эффект в реакциях окисления-восстановления, необходимый для их быстрого протекания. Обработка воды с применением каталитических загрузок – это один из современных технологичных методов, обеспечивающих в одной фильтровальной колонне с программируемым клапаном три операции: окисление, осаждение и фильтрацию осадка. Как правило, они используются для удаления железа, марганца и сероводорода.

Проблемы воды, вызываемые железом и марганцем

Железо и марганец присутствуют в воде подавляющего большинства подземных источников и нередко встречаются в поверхностных. Эти примеси придают воде металлический вкус и запах, окрашивают белье в процессе стирки в коричневые и черные оттенки, отложение их оксидов в распределительных системах уменьшают диаметр трубопроводов и приводят к потерям напора, а также в концентрациях, превышающих допустимые, негативно влияют на здоровье. К примеру, при регулярном поступлении марганца в повышенных дозах с водой в организм наблюдаются неврологические симптомы, эмбриоцидное действие, скелетные нарушения, гипогликемия и пр. [1, 2].

Очистка воды аэрацией

Анализ классических методов обезжелезивания и деманганации подземной воды, основанных на аэрировании с последующим фильтрованием, показывает их неравноценность с точки зрения надежности, технологичности, экономической целесообразности и удобства эксплуатации. К недостаткам традиционных технологий можно отнести: ограниченную область применения (в основном промышленную), значительные колебания качества очищенной воды, большие габариты оборудования и другое. В последние десятилетия прошлого века указанные выше факторы простимулировали активную разработку каталитических загрузок, как основы для создания принципиально новых эффективных, высокопроизводительных и компактных систем водоочистки. Немалую роль в этом процессе сыграло и повышение спроса на воду высокого качества, используемую не только в промышленности, но и в коттеджном секторе.

Загрузки на основе диоксида марганца

В современной водоочистке используется широкий перечень каталитических загрузок на основе диоксида марганца, начиная от природного пиролюзита и заканчивая рядом искусственных загрузок. Последние технологические новинки позволяют совместно с марганцем, железом и сероводородом удалять мышьяк, радий, уран, тяжелые металлы и радионуклиды [3, 4].

Для того чтобы подробнее разобраться с механизмом действия каталитических загрузок и технологией их применения, начнем с классического примера. Известно, что окисление ионов железа в воде при комнатной температуре – медленный процесс. Обычно сразу после подачи воды из скважины она бесцветна и прозрачна, и образование гидроксида железа (III) из гидрокарбоната, придающее воде желтую окраску, происходит через 1-2 часа, а выпадение его в форме осадка только через 10-20 часов и более. Ситуация с ионами марганца (II) еще сложнее:

4Fe2+ + O2 + 10H2O = 4Fe(OH)3 + 8H+

2Mn2+ + O2 + 2H2O = 2MnO2 + 4H+

При окислении и переходе железа и марганца в нерастворимые формы происходит подкисление растворов, что приводит к увеличению растворимости гидроокисей и замедлению или полной остановке процесса.

Много лет назад специалистами по водоочистке было замечено, что фильтровать воду, содержащую гидрокарбонатную форму железа и марганца после ее аэрации, можно практически сразу. Было установлено, что на нейтральных зернах, например, песка образуется пленка гидроксидов железа и марганца. Эта пленка активно интенсифицирует процесс окисления и выделения их из воды [5].

4 Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3↓ + 8CO2

Mn(OH)4 + Mn(OH)2 = Mn2O3 + 3H2O

2Mn2O3 + O2 + 8H2O = 4Mn(OH)4

Проблемы, возникающие при автоактивации кварцевого песка, особенно в случае недостаточного количества марганца для создания каталитического слоя, вызвали повышенный интерес к природным каталитическим фильтрующим средам, а затем и к созданию искусственных каталитических загрузок с закрепленными на носителе диоксидом марганца или железомарганцевых композиций.

Сероводород в воде: решение проблемы

Еще одной актуальной проблемой, которая решается при помощи каталитических фильтрующих материалов, является присутствие в воде сероводорода. Основным источником сероводорода являются разлагающиеся органические соединения и минеральные соли. В природные воды он попадает в результате соприкосновения воды с гниющими органическими остатками либо с минеральными солями – сульфидами: пиритом, сернистым колчеданом и т.д. Сероводород может содержаться в воде, как добываемой из глубоководных артезианских скважин, так и в водах поверхностных источников. Особенно активно насыщение воды сероводородом происходит в условиях подземных вод и в придонных слоях водоемов, в ситуации слабого перемешивания и дефицита кислорода. Попав в воду, сероводород начинает проявлять свойства кислоты, вызывает развитие в водной среде серобактерий, приводит к коррозии большинства металлов и способен отравить организм человека. К тому же, этот газ резко ухудшает органолептические качества воды, придаёт воде специфический, неприятный запах «тухлых яиц», делает её невкусной и непригодной к применению, как в хозяйственно-бытовых, так и в производственных целях. Кроме того, находясь в воде, сероводород резко снижает эффективность работы водоочистного оборудования, например, препятствуя окислению двухвалентного железа.

Какие каталитические загрузки используются в современной водоподготовке?

Наиболее востребованы каталитические фильтрующие материалы, представляющие собой относительно легкую матрицу – алюмосиликаты, доломит, природные и искусственные цеолиты, активированный уголь. Примеры таких каталитических загрузок, провоцирующих быстрое образование автокаталитического слоя железа и связывающих марганец (II) приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные технические характеристики каталитических фильтрующих материалов для обезжелезивания и деманганации воды


Birm

Manganese Greensand

Pyrolox


МЖФ

Цвет

черный

лилово-черный

черный

коричнево-бурый

Сырье для изготовления

алюмосиликат

глауконитовый зеленый песок

пиролюзит

доломит

Размер частиц, мм

0,4-2,0

0,25-1,2

0,4-1,5

0,5-1,5

Коэффициент однородности

2,7


1,4-1,6

1,7


1,4-2,0

Плотность частиц, г/см3

2,0

2,4-2,9

3,8

2,4-2,55


Насыпная масса, г/см3

0,6-0,7

1,4

1,8-2,0

1,4

Максимальное содержание в воде Fe, мг/л

4

15

10

50

Емкость по Fe, г/л загрузки

1

0,5-0,64

8


2

Емкость по H2S, г/л

0

0,4

нет данных

нет данных

Рабочий диапазон рН

7,0-9,0

6,2-8,8

6,8-8,8

4,5-9,0

Необходимый окислитель

О2

KMnO4, KMnO4+Cl2

NaOCl, KMnO4, О2, O3

KMnO4, О2, Cl2, O3

Расширение слоя, %

20-40

35-50

15-30

20

Скорость потока воды, м/ч,

рабочий режим

6,0-12,0

Режим обратной промывки

25-30

20-30


65-75

35


Основным сходством всех указанных материалов является наличие в составе 3-х или 4-х валентных оксидов марганца, а достоинством – возможность регенерации обратным током воды одновременно с их взрыхлением, что позволяет эффективно очистить зерна загрузки от накопленных загрязнений практически по всей высоте слоя. Анализ литературы [5] показывает, что природный материал пиролюзит (Pyrolox), который на 65-85% состоит из диоксида марганца обладает наилучшими каталитическими свойствами, но при этом он отличается наибольшей плотностью, а следовательно, требует большего расхода воды для промывки. Greensand, Pyrolox и МЖФ способны удалять сероводород, но при высоких концентрациях последнего рекомендуется использовать специальные загрузки, данные о которых представлены в таблице 2.

Таблица 2. Основные технические характеристики каталитических фильтрующих материалов для удаления сероводорода


КДФ‐85

Centaur

Производитель

США

Chemviron Carbon,

Бельгия

Цвет

Красновато-

коричневый

Черный

Сырье для изготовления

Высокочистый

медно-цинковый

сплав

Битуминозный

уголь

Размер частиц, мм

0,15-2,0

0,6-2,4

Плотность частиц, г/см3

2,74

0,56

Диапазон рН воды

6,5-9,0

4,5-10

Максимальное

содержание в воде H2S, мг/л

5

6

Емкость по H2S, г/л

нет данных

90

Расширение слоя, %

10-15

30-40

Скорость потока воды, м/ч

Рабочий режим

36

6-24

Режим обратной

промывки

72

24


Фильтрующая загрузка KDF-85 представляет собой сплав химически чистых металлов меди и цинка. KDF-85 – это гранулированный материал, предназначенный для удаления из воды хлора, железа, сероводорода, тяжелых металлов, а так же обладающий бактерицидными свойствами. KDF-85 является катализатором окислительно-восстановительного процесса, при котором вредные вещества окисляются или восстанавливаются и становятся безвредными, например хлор превращается в хлорид, сероводород в серу и т.д. Наиболее эффективно применять его в комбинации с активированным углем, это позволяет значительно увеличить степень очистки, снизить эксплуатационные и капитальные затраты на водоподготовку.


Рис. 1. Каталитическая загрузка KDF-85

Гранулированный активированный уголь Centaur используется для удаления из воды железа, сероводорода и хлораминов. Каталитический уголь представляет собой каменноугольный гранулированный активированный уголь, усовершенствованный посредством контролируемого процесса активации, при котором сохраняются все адсорбционные характеристики обычных активированных углей, но с образованием большого количества каталитических центров для переноса электронов, способствующих протеканию разнообразных химических реакций. Необходимо отметить стойкость материала к истиранию, что говорит об высоких эксплуатационных характеристиках и улучшенной способности к регенерации.

Centaur

Рис. 2. Гранулированный активированный уголь Centaur

Условия работы каталитических материалов

Каталитические загрузки, несмотря на всю кажущуюся простоту их использования, являются непростым инструментом водоочистки. Во-первых, для их эффективной работы каталитическая поверхность материала должна оставаться чистой и доступной для ионов. Поэтому обрабатываемая вода, содержащая в больших количествах взвешенные вещества, слизеобразующие бактерии, глину и крупные органические молекулы должна быть предварительно очищена от этих примесей. Во-вторых, нестабильные грунтовые воды также могут ингибировать слой катализатора из-за осаждения на нем солей жесткости и «сваривать» между собой гранулы, препятствуя процессам фильтрации и обратной промывки. В-третьих, низкие или высокие значения рН, а также полное отсутствие кислорода в глубоко залегающей воде, могут привести к выщелачиванию катализатора (как донора кислорода) и выносу его из каталитического слоя в очищенную воду. Кроме того, все системы, работающие на основе каталитического окисления (например – железа) при участии кислорода воздуха, неэффективны в отношении органического железа и железобактерий. Более того, при наличии в воде любой из форм органического железа, на поверхности гранул со временем образуется органическая пленка, изолирующая доступ ионов к катализатору.

Реагентрные и безреагентные каталитические загрузки

При неблагоприятном составе воды с высокой концентрацией загрязнителей каталитические загрузки нуждаются в технологической реагентной поддержке вспомогательными окислителями. Поэтому чисто условно, каталитические материалы делятся специалистами на безреагентные и реагентные. При использовании ряда загрузок, например GreenSand, в программу регенерации фильтрующей колоны помимо обратной и прямой промывок вводится стадия обработки загрузки 0,2-0,3% раствором перманганата калия. Для этого предусмотрено аппаратурное оформление процесса, включающее программируемый клапан и бак, где автоматически готовится раствор.

Действие катализатора в данном случае основано на способности соединений марганца сравнительно легко изменять валентное состояние. Двухвалентное железо в исходной воде окисляется при взаимодействии с MnO2. Последний восстанавливается до низших ступеней окисления (Mn2O3+MnO), а далее вновь окисляется перманганатом калия до высших оксидов [5, 6].

4Fe(HCO3)2 + 3MnO2 + 2H2O =4Fe(OH)3 + Mn2O3 + MnO + 8CO2

3MnO + 2KMnO4 + H2O = 5MnO2 + 2KOH

3Mn2O3 + 2KMnO4 + H2O = 8MnO2 + 2KOH

Недостатки каталитических материалов

Однако у реагентных каталитических материалов есть существенные недостатки:

  • при их использовании необходимо наличие не только катализатора, но и окислителя;
  • они неэффективны в отношении органического железа;
  • они не работают при высоком содержании железа (более 10-15 мг/л);
  • требуются высокие линейные скорости промывки и большой расход сервисной воды;
  • в качестве регенерирующего агента используется токсичный прекурсор;
  • поступление перманганата калия со сточными водами в установки по очистке бытовых стоков приводит к гибели микроорганизмов и нарушению работы септиков;
  • возможно поступление марганца в очищенную воду;
  • имеются ограничения по составу очищаемой воды.

Возвращаясь к безреагентным загрузкам, следует отметить, что обрабатываемая вода, содержащая в больших количествах взвешенные вещества, глину и крупные органические молекулы, сероводород и нефтепродукты, органическое железо, железобактерии и не содержащая кислород воздуха, с низким рН существенно снижает, а иногда и полностью обнуляет эффективность многих загрузок.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что каталитические загрузки занимают определенную нишу водоочистки. Каталитические загрузки способны улучшить технологии очистки воды, защищая традиционные системы и продлевая их ресурс, и в некоторых случаях, как например отсутствие технологической возможности организовать умягчение воды или промывку хлоридом натрия, являются лучшей альтернативой. Конкретных рекомендаций по выбору той или иной каталитической загрузки не дает ни один из известных авторам источников информации. В любом случае выбор оптимального типа загрузки и технологии ее применения с учетом конкретного состава воды зависят в первую очередь от опыта и квалификации специалистов.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

  1. Manganese Health Research Program: Overview of Research into the Health Effects of Manganese (2002-2007). IEH Institute of Environment and Health. Cranfield University.
  2. И. Андрусишина. Распространенные примеси в питьевой воде в Украине. Их влияние на здоровье человека. Вода и водоочистные технологии. 2018.– 3 (89).– с. 4-9.
  3. The Magic of Manganese Dioxide, What It Is and Why You Should Care. Author: Matthew Wirth. Water Conditioning & Purification, March 2013.
  4. PRODUCT CATALOG FROM WATCH WATER, GERMANY. KATALOX LIGHT®. Advanced Catalytic Filtration Media for Iron, Manganese and hydrogen Sulfide Removal.
  5. Рябчиков Б.Е. Современная водоподготовка.– М. Дели плюс, 2013.– 680 с.
  6. Беликов С.Е. Водоподготовка. Справочник для профессионалов.– М.: Аква-Терм, 2007.– 240 с.

Сведения об авторах:

Пономарев Владимир – к.т.н, ведущий специалист отдела исследований и разработок ООО НПО Екософт. Стаж работы в области водоподготовки – 28 лет.

Сергей Василюк – к.х.н., заведующий отделом исследований и разработок ООО НВП Экософт. Стаж работы в области водоподготовки – 17 лет.

Подпишитесь!
Раз в неделю мы присылаем полезные для здоровья материалы
Оставьте ваш комментарий