ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА “ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ”
Лабораторная работа
по курсу «Экология»
МЕТОДЫДООЧИСТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ
Методические указания
РПК
“Политехник”
Волгоград 2006
УДК 551.510:547
Методы доочистки питьевой воды: Методические указания к лабораторной работе по курсу “Экология”./Сост. Т.В.Хохлова, И.В.Могилевская, С.В. Смирнова/ ВолгГТУ.- Волгоград, 2006.-28с.
Приведены рекомендации по изучению теоретического материала к лабораторным работам, методики эксперимента и обработки полученных результатов, а также контрольные вопросы.
Ил. 5. Табл. 1. Библиогр.: 5 назв.
Рецензент О.И.Тужиков
Печатается по решению редакционно–издательского совета Волгоградского государственного технического университета
©Волгоградский государственный технический университет, 2006
Составители: Татьяна Васильевна Хохлова
Ирина Владимировна Могилевская
Светлана Викторовна Смирнова
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1. Изучить принцип работы бытовых фильтров различного типа, предназначенных для очистки питьевой воды.
2. Оценить эффективность очистки воды с помощью фильтров различного типа и очистительной установки “Изумруд-С”, сравнить их.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Качество питьевой воды - проблема, остро стоящая не только в нашей стране, но и во всем мире. Принятые в 1996 году нормы СанПиН определяют предельно допустимое содержание в воде бактерий, газов, органических и неорганических веществ. В список веществ, подлежащих контролю, включено около 2000 параметров, причем обязательному контролю подлежат более 200. Полный анализ качества питьевой воды проводится в лабораториях СЭС или специальных аккредитованных лабораториях.
Самым радикальным способом очистки воды является ее дистилляция, когда в результате перегонки удаляются все примеси, бактерии, газы и растворенные соли. Но надо учесть, что такая вода не пригодна для постоянного употребления, как питьевая. Если лишить человека поступления в организм солей, произойдет быстрое нарушение солевого баланса, что может привести к тяжелым последствиям для здоровья.
Задача улучшения качества питьевой воды может быть решена, если правильно использовать устройства для доочистки воды, а именно - разнообразные фильтры. Выбор типа фильтра, необходимого для очистки воды в каждом конкретном случае возможен только тогда, когда известны состав и структура загрязнителей воды.
Первый и наиболее распространенный тип загрязнения - наличие в воде нерастворимых механических примесей: частиц песка, ила, ржавчины и других взвесей. Чтобы избавиться от них, используют осадочные фильтры.
Иногда в воде присутствуют значительные количества растворенного железа. В этом случае изначально прозрачная вода при отстаивании или при нагреве становится бурой, имеет характерный привкус и образует ржавые пятна на посуде и сантехнике. Для решения этой проблемы обычно используют фильтры обезжелезивания.
Чрезвычайно распространенный недостаток - повышенная жесткость воды из-за высокой концентрации растворенных в ней солей кальция и магния. Именно они становятся причиной всем известной накипи. Чтобы избавиться от этого, используют фильтры - корректоры жесткости. В последнее время в продаже появились портативные измерители суммарной жесткости воды, они достаточно точны и при этом не слишком дороги.
Неудовлетворительные органолептические показатели воды - неприятный запах, привкус и цвет - обычно связаны с присутствием в ней органических веществ, остаточного хлора или сероводорода. Эта проблема решается с помощью угольных фильтров.
Самыми трудно поддающимися очистке являются воды, загрязненные солями тяжелых металлов. Специальных устройств для их удаления нет, но с этим видом загрязнения можно справиться с помощью фильтров ионообменного типа.
Последний тип загрязнений - бактериологическая загрязненность, которая может быть устранена при использовании ультрафиолетовых стерилизаторов или озонирования, в промышленных условиях - хлорированием.
Осадочные фильтры
Для очистки от механических примесей на магистральную трубу при входе воды в квартиру или дом устанавливают осадочные, или седиментационные фильтры. Их можно разделить на две большие группы по типу материала, из которого сделан фильтрующий элемент.
Более просты и дешевы осадочные фильтры картриджного типа. Они позволяют очищать воду от частиц размером до нескольких микрон. Сегодня существуют картриджи, изготовленные из полипропиленового шнура, намотанного на полипропиленовый сердечник, из плиссированного полиэфирного материала, меланинцеллюлозные, сетчатые из нержавеющей стали (с размером пор до 50 мкм) и целый ряд других. Кроме материала фильтрующие картриджи различаются по длине и диаметру. Наиболее распространены фильтры с порами 20-50 мкм, которые обладают ограниченной грязеемкостью и требуют довольно частой промывки, в ряде моделей предусмотрена автоматическая очистка фильтра. Недостатком устройств этого типа является невозможность точного определения степени выработки фильтрующего элемента. Срок службы картриджа существенно зависит как от качественных и количественных показателей загрязненности, так и от количества пропущенной через него воды, и составляет от двух месяцев до полугода.
Еще одним недостатком можно назвать и то, что повышение степени очистки воды, а именно снижение размера отфильтровываемых частиц, напрямую связано с уменьшением размера пор, через которые должна пройти вода, а ведь чем меньше поры, тем больше сопротивление фильтра давлению и тем значительнее фильтр ослабит напор воды на выходе.
При выборе фильтра необходимо учитывать температуру очищаемой воды: на трубы с горячей водой необходимо устанавливать только фильтры, рассчитанные на температуру выше 40°С.
Вторая группа осадочных фильтров - это системы засыпного типа. Основные их элементы - баллон для засыпки фильтрующей среды (алюмосиликатов или специальной керамики) и автоматический блок управления. Фильтрующие свойства среды периодически восстанавливаются за счет промывки, производимой в автоматическом режиме, при этом накопившиеся в фильтре отложения сбрасываются в дренаж. Достоинство таких систем - высокая производительность и долговечность (несколько лет). Однако они достаточно громоздки и дороги. Оптимальным вариантом может стать установка общего фильтра на дом (коттедж) или на подъезд.
Фильтры- корректоры жесткости
Следующая ступень улучшения качества воды - ее умягчение. Высокая жесткость не столь сильно влияет на вкусовые качества питьевой воды, зато весьма отрицательно сказывается на работоспособности современной бытовой техники, систем горячего водоснабжения и отопления.
Экономически оправданным и эффективным способом снижения высокой жесткости воды является применение фильтров- умягчителей, в которых используются ионообменные смолы. Суть процесса заключается в замене ионов кальция и магния, соли которых определяют жесткость воды, на ионы, соли которых не образуют твердых отложений. Этот процесс давно и хорошо известен и широко применяется в химической промышленности. Современные ионообменные смолы отличаются высокой надежностью и долговечностью и работают в системах с высокой производительностью. Некоторые из них способны убирать из воды не только соли жесткости, но и растворимые соли железа, неорганические соли свинца, бария, других тяжелых металлов и даже радиоактивный радий.
Большинство фильтров для регуляции жесткости воды достаточно крупногабаритные (высота примерно 1,5 м, диаметр 200-300 мм). В последнее время стали появляться фильтры для умягчения воды полифосфатом. Они невелики по размеру и не очень дороги.
Стоит сказать и о магнитных фильтрах снижения жесткости воды, которые рекомендуется устанавливать в квартирах для стиральных или посудомоечных машин, водонагревателей. В качестве примера можно привести магнитный нейтрализатор кальциевых отложений, он имеет производительность до 0,72 м3/час при максимальной температуре воды до 95 °С и давлении до 16 атм.
Фильтры- обезжелезиватели
Присутствие железа в воде в количестве, превышающем предельно допустимую концентрацию (ПДК 0,3 мг/л), делает ее непригодной как для питья, так и для использования в бытовых целях. Это наиболее остро ощущают жители сельских районов, владельцы загородных домов, отдыхающие в санаториях и на турбазах. Именно подземные воды, используемые в таких жилых комплексах, содержат значительные количества растворенных солей железа. Самым простым и распространенным способом очистки воды от растворенных солей является превращение их в нерастворимые оксиды (ржавчину) в результате окислительно-восстановительных реакций. Для этого используют различные окислители, такие как: озон, гипохлорит натрия или перманганат калия. Образовавшаяся ржавчина может быть легко отфильтрована. Такие фильтры обезжелезивания способны, кроме того, удалять из воды и соединения марганца.
Эти фильтры достаточно громоздкие и поэтому их устанавливают на группу сооружений. Большинство фильтров такого типа имеет автоматическую регенерацию, осуществляемую по сигналу таймера или счетчика воды. Эксплуатация фильтров, предназначенных для удаления катионов растворенного железа, требует определенной предварительной очистки воды. В ней должны отсутствовать сероводород и нефтепродукты, а также нерастворимый осадок. Обычно эти установки либо продаются в комплекте с предфильтрами, либо уже имеют в своей конструкции такие защитные функции.
Фильтры из активированного угля
Для улучшения органолептических показателей воды давно и успешно используют фильтры из активированного угля, одни из самых старых и наиболее распространенных. Благодаря своей высокой адсорбционной способности активированный уголь весьма эффективно поглощает растворенные газы и органические соединения. Но накопившаяся органика трудно выводится из угля, поэтому, чтобы избежать возможного залпового выброса загрязнений в очищенную воду, фильтры из активированного угля требуют периодической замены. Для увеличения ресурса работы фильтров сейчас используют активированный уголь, получаемый из скорлупы кокоса, адсорбционная способность которого в 4 раза выше, чем у угля, получаемого, например, из древесины березы. Чтобы избежать бактериологического зарастания таких фильтров, применяют угли со специальными бактериостатическими присадками, самой простой из которых является коллоидное серебро.
Устройства для доочистки питьевой воды
Разнообразные устройства для дополнительной очистки питьевой воды можно условно разделить на три группы:
1) фильтры-кувшины, где вода проходит через сменный картридж в нижний сосуд.
2) проточные устройства, устанавливаемые непосредственно на смеситель.
3) специальные системы, которые подключаются к трубе холодной воды, устанавливаются рядом с раковиной, а чаще - под раковиной, и имеют отдельный кран.
Среди фильтров-кувшинов наиболее распространены фильтры типа “Аквафор”, “Барьер”, Brita, Kenwood, и ряд других. Их отличает друг от друга внешний вид, состав и очищающая способность (емкость) фильтрующей кассеты. Фильтрующий элемент "Барьера" рассчитан на доочистку 500 литров воды в течение примерно 2-3 месяцев. Они выпускаются в трех модификациях: для мест, где есть вероятность бактериального заражения ("Барьер 3"), этот элемент состоит из активированного угля с нанесенным на него коллоидным серебром; для города ("Барьер 4"), в этом случае серебро не наносится; и элемент с фторирующим эффектом ("Барьер 5").
Фильтрующий элемент водоочистителя Brita, кроме активированного угля с нанесенными на него ионами серебра, содержит и ионообменные смолы, извлекающие из воды ионы тяжелых металлов. Емкости такого элемента хватает примерно на 100 литров воды.
В состав проточных фильтров, как правило, входит осадочный фильтр и элемент из активированного угля. Их емкость невелика - картридж рассчитан на снабжение семьи питьевой водой в течение нескольких месяцев, после чего его нужно заменить. К таким фильтрам относятся российские “Аквафор”, "Родник", "Гейзер", "Богатырь" и импортные Instapure, Rowenta и ряд других. По некоторым параметрам импортные фильтры превосходят отечественные, но не надо забывать, что они рассчитаны на воду достаточно хорошего качества. А в водопроводных магистралях, например, дачных участков, лучше использовать отечественные фильтры. Они достаточно надежны и значительно дешевле импортных.
Более сложные устройства глубокой доочистки питьевой воды содержат в себе последовательность из двух и более фильтрующих элементов. Они устанавливаются рядом с раковиной или под раковиной. Самые простые из них отличаются от монтируемых на смеситель тем, что имеют отдельный подвод воды и кран. Кроме того, емкость фильтрующих элементов этой группы фильтров существенно больше, они, как правило, рассчитаны на очистку нескольких тысяч литров воды в течение примерно полугода. К этой же группе надо отнести и более сложные очистные установки, в состав которых, кроме осадочного и угольного фильтров, входят фильтры из ионообменных смол, которые задерживают ионы тяжелых металлов.
Вторая группа установок для доочистки питьевой воды включает электрохимические устройства. Они работают, используя процессы электрохимического окисления и восстановления, благодаря которым нейтрализуются содержащиеся в воде многие токсичные вещества, содержащие активные функциональные группы (например, фенол, см. стр.21). Эти устройства требуют питания от электросети, но потребляемая ими мощность невелика. Они имеют большой ресурс работы, однако требуют регулярной (примерно 1 раз в 2 месяца) промывки. Такие устройства (например, серии "Изумруд") хорошо очищают воду от катионов металлов и органики, несколько хуже удаляют из воды анионы.
Преимущество установок типа "Изумруд", в которых очистка воды производится электрохимическим и каталитическим способами, в том, что они не позволяют размножаться микроорганизмам на внутренних поверхностях. Даже в тех случаях, когда выход из адсорбционной или мембранной системы водоочистки защищен противомикробным фильтром, бактерии могут размножаться на выходной поверхности противомикробного фильтра и на внутренних поверхностях выходных магистралей, что является фактором эпидемиологического риска. Поэтому адсорбционные, ионообменные, мембранные и комбинированные бытовые водоочистительные системы непригодны для работы с водой, не безопасной в микробиологическом отношении. Установки "Изумруд" свободны от указанного недостатка, поскольку даже при сверхвысоком содержании в исходной воде бактериальных и вирусных тел 106- 108 в одном миллилитре после очистки в установках "Изумруд" количество микроорганизмов в воде уменьшается на пять-шесть порядков до 10 – 102 на мл.
В момент электрохимической обработки вода приобретает бактериостатические характеристики, аналогичные свойствам родниковых вод. В процессе длительного хранения вода, очищенная в установках "Изумруд", может утратить бактериостатические свойства. Функциональная особенность электрохимического реактора установок "Изумруд" состоит в том, что вода подвергается раздельной (униполярной) обработке в анодной и катодной камерах, что повышает эффективность обеззараживания и очистки. Схема технологического процесса очистки воды в установке “Изумруд-С” изображен на рис.1. Исходная (водопроводная) вода поступает в катодную зону электрохимического реактора 3, где происходит превращение ионов тяжелых металлов в тонкодисперсные частицы металлов и (или) гидроксидов металлов, затем производится их флотационное отделение в камере 5 и удаление в дренаж образовавшихся гидроксидов. Далее вода проходит анодную обработку в электрохимическом реакторе 3, при этом происходит уничтожение микроорганизмов, окислительное разрушение органических соединений и микробных токсинов. Выходящая из анодной камеры вода подается в реактор смешения 4, это позволяет увеличить время воздействия образовавшихся в анодной камере оксидантов на органические примеси в воде, микроорганизмы и микробные токсины и, соответственно, усилить эффект очистки воды от этих компонентов. Последняя стадия очистки воды - это ее обработка в каталитическом реакторе 7. Здесь происходит удаление соединений активного хлора. Вся гидравлическая система установки изготовлена из химически весьма стойких материалов, разрешенных к применению в изделиях медицинской техники. Все указанные процессы в установке разделены в пространстве и во времени, что обеспечивает наилучшие результаты очистки.
|
| 1. Источник питания
2. Система автоматического включения и отключения установки.
3. Проточный электрохимический реактор.
4. Реактор смешения (вихревая реакционная камера).
5. Флотационная камера.
6. Система удаления примесей.
7. Каталитический реактор.
|
Рисунок 1.- Технологический процесс очистки воды в установке "ИЗУМРУД-С"
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 Гmax – 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 Гi мг/мг в условиях статического режима работы определяется по формуле:
, (4)
где Гi – статическая адсорбционная ёмкость сорбента; соi – исходная концентрация адсорбента в растворе, мг/л; сi – равновесная концентрация адсорбата в растворе после сорбции, мг/л; Мс – масса навески сухого сорбента, мг; V – объем раствора, используемого в эксперименте, л; k - кратность разбавления раство
|
Поиск по сайту:
|