Поисковые исследования процесса доочистки водопроводной воды углеродистыми материалами

• Печать

Нестабильное качество водопроводной воды и необходимость ее доочистки, является основанием для развития сорбционных методов обработки воды.

Технология введения фуллеренов в активированные угли, разработанная в СПбГТИ (Технологическом университете), позволила получить новый сорбент – модифицированный активированный уголь (АУМ).Анализ строения молекулы фуллерена и механизма ее взаимодействия с веществами различной природы позволил предположить, что нанесение даже микро-количеств фуллеренов на пористую поверхность адсорбента может привести к значительному увеличению его поглотительной ёмкости. Установлено, что применение модифицированного фуллеренами активированного березового угля для доочистки водопроводной воды позволяет увеличить до 30% эффективность очистки по цветности, содержанию железа и окисляемости по сравнению с исходным активированным углем (АУ). [1].

Была разработана технология регенерация модифицированных активных углей с применением водных растворов гипохлорита натрия (эффективность очистки водопроводной воды после периодической регенерации гипохлоритом натрия (с дозой активного хлора 70 мг/л) для модифицированных фуллеренами углеродных адсорбентов на 15 – 20 % выше, чем для исходных углей)[1].

Несмотря на то, что удорожание модифицированного сорбента по сравнению с исходными активными углями составило не более 25%, отсутствие достаточного количества потребителей АУМ создает определенные проблемы, связанные с его массовым производством. В связи с этим, обоснованным становится поиск новых, сравнительно дешевых, не требующих дополнительных затрат, углеродистых материалов, обладающих повышенными сорбционными свойствами.

Были проведены исследования углеродистого материала, представляющего собой черные матовые зерна неправильной формы определенного фракционного состава (крупность зерен 0,63 мм), полученные из угля марки «Антрацит» термически обработанного в безвоздушной среде при температуре 3000^ºС и являющийся по своей структуре графитом.

Накафедре строительных материалов СПбГАСУ был проведен спектральный анализ пробы графита, в результате которого установлено, что материал состоит на 85% из углерода, имеет незначительные включения кислорода и железа. На рис. 2 представлены фотографии гранул образца при различном увеличении. На изображениях видна рыхлая, слоистая структура гранул определенного фракционного состава. «Щелевидная пора» имеет линейный размер порядка 10 000 нм (1 мкм = 1000 нм).

Рис.2. Гранулы образца графита

Исследование физико-химических свойств и технологических параметров углеродистого материала проводилось в СПбГТИ. Были определены следующие показатели: йодное число, адсорбционная активность по метиленовому голубому, параметры пористой структуры, удельная поверхность, химическая стойкость, механическая прочность.

Йодное число и адсорбционная активность по метиленовому голубому данного материала не превышает 88 и 22 мг/г соответственно. Материал химически стоек и имеет высокую механическую прочность. Cуммарный объем пор составляет 0.158 см³/г, предельный объем сорбционного пространства –0,017 см³/г, объем макропор – 0,141 см³/г, объем микропор – 0,004 см³/г, объем мезопор – 0,013 см³/г, площадь удельной поверхности – 26 м²/г.

В таблице представлены параметры пористой структуры.

Таблица

 

 

Параметры пористой структуры

V_∑ – суммарный объем пор, см³/г

W_s – предельный объем сорбционного пространства, см³/г

V_ма – объем макропор, см³/г

V_ми – объем микропор, см³/г

V_ме – объем мезопор, см³/г

S_уд., площадь удельной поверхности, м²/г

Для оперативной оценки эффективности работы графитовой загрузки было проведено дискретно по 1 ч 50 мин в день два коротких фильтроцикла на лабораторной фильтрационной установке, представляющей собой колонкуØ40 мм, высотой h=650 мм. При этом высота загрузки углеродистого материала составила h=350 мм; высота поддерживающего слоя из кварцевого песка – h=40 мм. Общая продолжительность фильтроцикла составляла около 4ч.Скорость фильтрования V=2м/ч.

Графическая зависимость эффекта очистки исходной воды по содержанию железа представлена на рис.

Рис. Графическая зависимость эффекта очистки исходной воды

по содержанию железа

Эффективность очистки по концентрации общего железа составила 99%, при этом содержание железа в исходной воде составляло 4.7 мг/л, в очищенной воде – менее 0,01 мг/л.

Оценка результатов исследования графитового материала позволила судить о его пригодности к использованию в качестве фильтрующей загрузки, несмотря. Однако, не достаточная пористость данного фильтрующего материала (суммарный объем пор не превышает 0,2 см³/г), накладывает ограничения на возможность использования его в качестве сорбента. В этой связи возникла необходимость решения вопросов, связанных с модификацией фильтрующей загрузки, направленной на повышение эффективности очистки водопроводной воды и увеличение продолжительности фильтроцикла.

Одним из перспективных направлений повышения эффективности процесса очистки воды на фильтрующих установках является создание комплексных фильтрующих загрузок (КФЗ).

В значительной степени повышается грязеемкость загрузки в широко применяемых многослойных фильтрах. В таких фильтрах, как правило, загрузку составляют из материалов с различной плотностью и размером частиц: сверху слоя – крупные легкие частицы, внизу – мелкие тяжелые. При нисходящем направлении фильтрования крупные загрязнения задерживаются в верхнем слое загрузки, а оставшиеся мелкие – в нижнем. Таким образом, работает весь объем загрузки.

Выбор вида и характеристик фильтрующих загрузок зависит в первую очередь от примесей, содержащихся в очищаемой воде. Основные примеси в составе водопроводной воды, требующие корректировки ­– это цветность, окисляемость и железо общее. Известно, например, что содержание железа в водопроводной воде в некоторых районах СПб, вследствие транспортировки ее по трубам, находящимся в неудовлетворительном техническом состоянииможет превышать 5 мг/л.

Активированные угли, используемые для доочистки водопроводной воды, обеспечивают возможность удаления растворенных примесей при условии соответствия параметров пористой структуры сорбента молекулам примеси. Так, уголь марки БАУ-А, обладая суммарным объемом пор 1,65–1,80 см³/г хорошо сорбирует органические соединения и общее железо, содержащиеся в водопроводной воде.При проведении лабораторных исследований технологических параметров АУ (БАУ-А) было установлено, что эффект очистки по железу в среднем составил 60%, при этом содержание железа в исходной воде не превышало 0,5 мг/л. [1].

Результаты исследований обработки воды на АУ (БАУ-А)

(объем обработанной воды 4265л)

Объем обработанной воды, л	Проба воды	pH	железо общее		цветность		окисляемость
			мг/л	Эоч,   %	град	Эоч,   %	мг/л	Эоч,   %
200	исх	7,3	0,5	-	15	-	4,2	-
	АУ	7,8	0,22	56	0	100	0,7	83
250	исх	6,8	0,2	-	18,7	-	4,6	-
	АУ	7,4	0,03	85	3,5	81	1,9	59
310	исх	6,4	0,23	-	36,1	-	3,9	-
	АУ	7,2	0,14	39	5,5	85	2,4	38
450	исх	6,8	0,24	-	18,4	-	4,7	-
	АУ	6,9	0,08	67	8	57	2,7	43
575	исх	6,8	0,2	-	16,3	-	5,6	-
	АУ	6,8	0,11	45	9,2	44	3,5	38
685	исх	6,6	0,38	-	21,4	-	5,2	-
	АУ	6,7	0,12	68	12,6	41	3,8	27
825	исх	5,9	0,62	-	32,7	-	5,5	-
	АУ	6,6	0,15	76	10,7	67	4,2	24
1075	исх	6,6	0,3	-	16,7	-	4,1	-
	АУ	6,6	0,12	60	12	28	4,0	3
1255	исх	6,4	0,34	-	17	-	4,4	-
	АУ	6,6	0,12	65	11,6	32	4,1	7
1435	исх	6,6	0,25	-	12,1	-	5,2	-
	АУ	6,4	0,09	64	10	17	4,5	13
1675	исх	6,3	0,37	-	15,1	-	4,6	-
	АУ	6,2	0,13	65	11,3	25	3,9	15
1825	исх	6,7	0,47	-	20,9	-	5,1	-
	АУ	6,6	0,14	70	12,7	39	4,0	22
2005	исх	6,9	0,41	-	25,1	-	5,6	-
	АУ	6,9	0,11	73	12,9	49	5,5	2
2245	исх	6,8	0,48	-	21	-	5,7	-
	АУ	6,9	0,12	75	15,1	28	5,3	7
2545	исх	6,8	0,22	-	20,1	-	8,2	-
	АУ	6,8	0,13	41	14,6	27	8,7	-6
2875	исх	6,4	0,26	-	14	-	6,3	-
	АУ	6,6	0,12	54	10,7	24	4,5	29
3115	исх	6,6	0,34	-	11,9	-	4,9	-
	АУ	6,3	0,12	65	10,1	15	4,5	8
3305	исх	6,0	0,33	-	14,2	-	4,7	-
	АУ	6,1	0,16	52	10,8	24	4,7	0
3485	исх	6,1	0,3	-	15,4	-	5,0	-
	АУ	6,2	0,11	63	10,4	32	4,0	20
3845	исх	6,4	0,27	-	17,4	-	5,4	-
	АУ	6,1	0,12	56	12,5	28	4,5	17
4265	исх	6,5	0,46	-	22	-	5,0	-
	АУ	6,2	0,21	54	18,1	18	4,9	2

Величина адсорбции АУ (БАУ-А), определяемая как масса адсорбированного вещества на единицу массы сорбента составила: по окисляемости – 7,2 мг/л; по железу – 0,9 мг/л.

Предположение об эффективной работе КФЗ основано на том, что в результате поэтапного осуществления двух ступеней очистки водопроводной воды можно увеличить продолжительность работы сорбционной загрузки, поскольку основная нагрузка по задержанию общего железа будет приходиться на верхний графитовый слой загрузки.

При создании КФЗ необходимо учитывать возможность проведения совместной промывки и регенерации различных материалов фильтрующей загрузки. Безусловно, важными факторами, при конструктивном решении фильтрующего устройства с КФЗ являются разница насыпных плотностей (насыпная плотность графита превышает насыпную плотность АУ (БАУ-А) в 3 раза), гранулометрического состава и структуры гранул графитовой и АУ (БАУ-А) загрузок. Так, например, при взрыхляющей промывке фильтра слои графита и АУ (БАУ-А) не должны перемешиваться. Решение данных вопросов является предметом поисковых исследований процесса доочистки водопроводной воды углеродистыми материалами и требует соответствующего анализа их технологических параметров.

Лабораторные исследования технологических параметров комплексной фильтрующей загрузки, позволят определить степень влияния защитной функции графитовой загрузки на увеличение адсорбционной емкости сорбционной загрузки АУ (БАУ-А) и продолжительность фильтроцикла в целом, путем поэтапного фильтрования исходной водопроводной воды, имеющей повышенное содержание общего железа.

БАУ-А г/дм3, не более 240.

Свиридов Н.И.

Подробности

Категория: Эко инновации

Опубликовано 20.10.2019 10:54

Просмотров: 672