Основные технические данные

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 Г_max – 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 Г_i мг/мг в условиях статического режима работы определяется по формуле:

, (4)

где Г_i – статическая адсорбционная ёмкость сорбента; с_оi – исходная концентрация адсорбента в растворе, мг/л; с_i – равновесная концентрация адсорбата в растворе после сорбции, мг/л; М_с – 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; τ₀ – потеря времени защитного действия.

Введение в уравнение величины τ₀ 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 τ₀. Для определения k и τ₀ 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 L_м, L₀, k и τ₀ (рис.4).

 

L0 — длина работающего слоя; Lм — длина «мертвого слоя»; τ0 — 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 м³/м³.

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, SO₄^2-, Cl^-, NO₃^-, PO₄^3- и не способны к обмену анионов слабых минеральных кислот (CO₃^2-, 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 → Cl_адс

Cl_адс + 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

Основные технические данные

1. Аквафор B300. Компактная насадка на кран. Содержит углеродное волокно “Аквален ”. Ресурс до 1000 литров. Производительность 0,3 л/мин. Эффективность очистки: хлор – 100%, нефтепродукты – 95 %, фенол – 99%, пестициды – 99 %, тяжелые металлы- 99%.

2. Гейзер-М. Подключается к водопроводному крану диаметром от 15 до 20 мм. Комплектуется сменным ионообменным картриджем с размерами пор от 0,5 до 1,5 мкм. В качестве фильтрующего материала используется “Арагон”. Сочетает принцип действия угольного фильтра, ионообменной смолы и седиментационного фильтра. На первой стадии происходит удаление из воды грязи и ржавчины. 2 стадия – химическим связыванием удаляются соли тяжелых металлов. 3 стадия – микробиологическая очистка. Производительность до 0,5л/мин. Ресурс до 3000 литров. Эффективность очистки: хлор-96%, нефтепродукты – 92%, тяжелые металлы – 99 %, железо – 99 %, взвешенные примеси – 99 %.

3. Родник-3 М. Фильтр состоит из корпуса и крышки. В корпус вставлен патрон с сорбентом. На патрубок патрона надевается шланг с насадкой. Принцип работы данного фильтра основан на применении высококачественного угольного фильтра, часть которого насыщена серебром. Производительность 0,5 л/мин. Ресурс до 3600 л.

4. Установка “Изумруд -C”. Производительность - 50 литров в час; питание от электрической сети - 220 В, 50 Гц; потребляемая мощность - 30 Вт; ресурс - 1 миллион литров; Регенерируемость - необходима промывка от 2 раз в месяц до 2 раз в год (в зависимости от степени загрязнения воды неорганические отложения на катоде удаляются промыванием установки 10-процентной уксусной или 5-процентной соляной кислотой). Принцип работы основан на применении диафрагменных электрохимического и каталитического реакторов с вихревой реакционной камерой.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Присоединить напорный шланг гидросистемы к крану системы водопровода холодной воды (магистрали водопровода), а сливной шланг подключается к системе канализации помещения. Установить стаканы для отбора проб воды под выходные гибкие трубки фильтров и очистительной установки. Поставить под гибкую трубку пятого свободного отводного канала стакан. Открыть полностью шаровой кран на этом канале. Постепенно открывая водопроводный кран, установить расход воды 0,5 л/мин. Расход воды определяется следующим образом: с помощью секундомера засечь время, за которое в стакан вытечет 200 мл. Время заполнения стакана должно быть 24 секунды. Положить конец гибкой трубки этого канала в сливную раковину. Произвести отбор 150 мл неочищенной водопроводной воды в стакан. Полностью открыть шаровой кран на отводном канале, соединенном с каким-либо устройством очистки (например, фильтром “Аквафор B300”), закрыть кран на свободном канале и произвести отбор 150 мл очищенной воды в стакан. Закрыть кран на канале с фильтром и открыть кран на свободном канале. Провести измерение содержания примесей сначала в пробе очищенной воды, а затем в пробе неочищенной воды в соответствии с методикой количественного анализа и тестовым методами, изложенными в методических указаниях “Определение физико-химических показателей воды” [5].

Оценить эффективность очистки по формуле

,(8)

где С_n - концентрация растворенных примесей в неочищенной воде, мг/л;

С_k - концентрация растворенных примесей в очищенной воде, мг/л;

η – эффективность очистки, %.

Результаты эксперимента внести в таблицу 1.

Таблица 1. - Анализ эффективности очистки воды

Наименование очистителя	Наиме- Нование примеси	Концентрация примеси, мг/л	Эффективность очистки, η, %
Количест- венный метод	Тестовый метод
до очистки	после очистки	до очистки	После очистки
Фильтр
Установка “Изумруд-С”

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Цель работы.
2. Схемы лабораторной установки и установки “Изумруд-С”.
3. Таблицы с результатами эксперимента.
4. Выводы об эффективности очистки воды различными методами и соответствии отдельных показателей качества очищаемой воды предъявляемым требованиям (Приложение 1).

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

 

1. Запрещается приступать к работе до получения инструктажа по
технике безопасности.

2. Работу проводить в присутствии преподавателя или лаборанта.

3. Выполнение работы связано с использованием электрических приборов и требует соблюдения правил электробезопасности.

4. В работе используются лабораторная посуда и химические реактивы, поэтому необходимо соблюдать соответствующие правила техники безопасности.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Расскажите об устройствах для доочистки питьевой воды?
2. Какие типы фильтров применяются для доочистки питьевой воды?
3. Какие фильтры используют для очистки от механических примесей?
4. Объясните принцип действия фильтров – обезжелезивателей.
5. Перечислите достоинства и недостатки фильтров из активированного угля.
6. На чем основан принцип действия электрохимических устройств на примере установки “Изумруд”? Объясните технологический процесс очистки в установке “Изумруд-С”.
7. Перечислите виды адсорбции. Какими свойствами должны обладать сорбенты?
8. Объясните процесс протекания адсорбции.
9. Напишите уравнение Ленгмюра для изотермы адсорбции.
10. Что такое адсорбционная емкость?
11. Какими методами осуществляется адсорбционная очистка воды? Опишите их.
12. Как определить длительность работы адсорбционного фильтра? Что такое “работающий слой” адсорбента?
13. Какая величина характеризует процесс динамической сорбции?
14. В каких случаях применяют ионообменные методы очистки воды?
15. Дайте определение ионита, катионита, анионита.
16. Что такое селективность поглощения?
17. Какие стадии включает процесс переноса вещества при ионном обмене?
18. Напишите ионообменные реакции катионитов в Н- форме и Na – форме.
19. Как осуществляется регенерация катионитов и анионитов?
20. Что такое обменная емкость ионита? Перечислите её виды. Какими методами можно ее определить?
21. Какие реакции происходят при анодной очистке воды?
22. Приведите примеры реакций катодного восстановления
23. Какие материалы используются в качестве электродов? От чего зависит выбор катодного и анодного материалов?
24. Опишите схему лабораторной установки. Как проводится отбор проб для анализа?
25. Как определяется эффективность очистки воды?

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Стенд лабораторный “Методы очистки воды БЖ 8м”/Паспорт БЖ 8 м ПС, 2003.
2. В.И. Калицун, Ю.М. Ласков, Ю.В. Воронов, Е.В. Алексеев. Лабораторный практикум по водоотведению и очистке сточных вод. М.: Стройиздат, 2001. -263с.
3. В.А. Проскуряков, Л.И. Шмидт. Очистка сточных вод в химической промышленности. Л.: Химия, 1977. - 463с.
4. Г.С. Соловьев, А.И. Родионов. Электрохимическая очистка сточных вод. М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1982. 46с.
5. Определение физико-химических показателей воды: Методические указания/ Т.В. Хохлова, И.В. Могилевская. Волгоград: РПК “Политехник”, 2006. - 32с.

МЕТОДЫДООЧИСТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ

 

Методические указания

Темплан 2006г.. поз.№__

Подписано в печать _______. Формат 60*84 1/16. Бумага газетная.

Печать офсетная. Усл. Печ.л._ 1,75 __. Тираж ___экз.

Заказ №___.

Волгоградский государственный технический университет.

400131 Волгоград, просп. Им.В.И.Ленина,28.

РПК ”Политехник” Волгоградского государственного технического университета.

400131 Волгоград, ул. Советская, 35.

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