CC BY
50
Обоснование эффективности использования природного фильтрующего материала ОДМ-2Ф в водоподготовке
12 3
С.И. Игнатенко , С.А. Бреус , А.Ю. Скрябин , С.С. Богданов2, К.С. Тер-Матиосова4
1 Общество с ограниченной ответственностью научно-производственное предприятие
«ЭКОФЕС», Новочеркасск 2Государственное унитарное предприятие Ростовской области « Управление развитие систем водоснабжения» 3Акционерное общество «Ростовводоканал» 4Государственное бюджетное образовательное учреждение среднего профессионального образования «Минераловодский колледж железнодорожного транспорта»
Аннотация: Приведены результаты экспериментальных исследований по сорбционным
свойствам материала ОДМ-2Ф по алюминию, железу и нефтепродуктам.
Ключевые слова: водоподготовка, фильтрующий материал, изотерма сорбции, ОДМ-2Ф.
В практике водоподготовки для различных целей (питьевое и техническое водоснабжение) применяют различные способы фильтрования воды. Наибольшее распространение в производственных условиях получили фильтры с зернистой загрузкой. Количество фильтрующих слоев загрузки бывают как однослойные, так и многослойные, с разной крупностью зерен фильтрующего материала. Фильтрующий слой - основной элемент конструкции фильтра, выполняется из отсортированного зернистого материала, чаще всего из кварцевого песка, крупностью от 0,5 до 2,0 мм [1].
Известны [2-10] и другие фильтрующие загрузки, которые соответствуют санитарным нормам, обладают достаточной механической прочностью и химической стойкостью - дробленый антрацит и керамзит; керамическая или мраморная крошка; горелые породы, а также синтетические полимерные материалы.
За последние 20 лет на рынке появляются новые, модифицированные фильтрующие материалы [2-8]. Один из них ОДМ-2Ф (опока, дробленная модифицированная), который широко используют на станциях
водоподготовки. Основой для его изготовления послужили - природные цеолиты, опалкристобалитовой породы. Плотность материаласоставляет1,3-1,4 г/см , что меньше кварцевого песка в 2 раза, но одинаковая с керамзитом [4].
В работе[2] указано, что структура зерен ОДМ-2Ф характеризуется множеством дефектных участков в форме каверн и углублений, достигающих размеров в десятки микрометров (мкм). Это указывает на возможные признаки сорбционных свойств материала.
Сорбционные методы водоочистки представляют собой гетерогенный процесс и применяются для извлечения различных компонентов из природных вод (тяжелые металлы, органические соединения и др.)[8,12].Учитывая, что по использованию ОДМ-2Ф еще не накоплено достаточно информации,были проведены дополнительные исследования по определению его сорбционных свойств.
Известно [12], процесс сорбции может осуществляться как в статических, так и в динамических условиях. В первом случае жидкость не перемещается относительно зеренсорбента, так как оба находятся в одной фазе, а при динамике вода движется через слой фильтрующей загрузки.
Статические условия
Одним из основных критериев оценки адсорбционных свойств фильтрующего материала является изотерма сорбции, определяющая зависимость емкости сорбента от концентрации сорбируемого вещества в условиях равновесия.После расчетов по методике [11] с использованием полученных результатов, построили изотермы сорбционной емкости ОДМ-2Ф по отношению к алюминию, железуи нефтепродуктам (рис. 1- 3).
Кривую сорбции по алюминию (рис.1) можно визуально разделить на три отрезка:
N
3
- от 0 до 10 мг/дм зависимость имеет линейный вид, что соответствует очень малым равновесным концентрациям;
- на участке 10 - 40 мг/дм просматривается выпуклая часть кривой сорбции, что указывает на наличие в фильтрующем материале микропор и завершение сорбционного процесса;
- при достижении максимальной емкости равной 1,4 мг/г отчетливо видно, что график принял вид прямого отрезка.
2
< 1 5
и
Ч 1
н о
2
а °,5
Я2 = 0,96
н ^—1
0 10 20 30 40 50
Равновесная концентрация Сравн., мг/дм3
60
Рис.1.- Изотерма сорбции по алюминию
Сорбционная емкость материала по отношению к железу (рис. 2) достигает до 9 мг на 1 г сорбента и значительно больше, чем по алюминию (6,4 раз).
л
н о о и Е М
10 8 6 4 2 0
Я2 = 0,98
0 10 20 30 40 50
Равновесная концентрация Сравн, мг/дм3
Рис.2. - Изотерма сорбции по железу
0
6 5 4
и 3 л 3 н о
§ 2
м
Я2 = 0,9871 ✓ 1
1—#—1
1,5
Равновесная концентрация С н, мг/дм3
4,5
^равн.:
Рис. 3. - Изотерма сорбции по нефтепродуктам
Из рис. 3 видно, что сорбционная емкость ОДМ-2Ф по нефтепродуктам составляет до 5 мг/г. Вогнутый характер кривой, указывает на сильное межмолекулярное взаимодействие в веществе сорбента.
Исследования сорбционной емкости ОДМ-2Ф в динамических условиях
Динамическая активность сорбента характеризуется максимальным количеством вещества, поглощенного единицей объема сорбирующего материала до момента появления сорбируемого вещества в фильтрате при пропуске воды через фильтрующий слой.
Методика проведения исследований включала следующее: через стеклянную колонку диаметром 17 мм, загруженную образцом ОДМ-2Ф высотой слоя 500 мм пропускали исследуемую воду со скоростью 5 м/ч (19,2 мл/мин). Определяли концентрации загрязнений в фильтрате и фиксировали объемы пропущенной через колонку воды на момент анализа концентраций загрязняющих компонентов. Объем загрузки в колонке приняли 0,1134 дм . Масса фильтрующего материала в колонке была 180 г.
Ниже проведены зависимости извлечения загрязнений (в долях единицы) от объема отфильтрованной воды (рис. 4,6,8), а также кривые динамической адсорбции алюминия, железа и нефтепродуктов на
0
6
фильтрующем материале, в зависимости от объема пропущенной через колонку исследуемой воды (рис. 5,7,9).
о
С
и
с
и
1,2 1
0,8 0,6
о 0,4 0,2 0 0,2
Я2 = 0,9923
0 500 1000 1500 2000 Объем воды (V), дм3
2500
г/ /г
л
т с
сок
м
И
Рис.4. - Динамика степени извлечения из воды алюминия
300 250 200 150 100 50 0
М ----------
Я2 - 0,986
0 500 1000 1500 2000 Объем воды (V), дм3
Рис.5. - Динамика адсорбции алюминия
1
0,8
^0,6 О
¿°0,4
0,2 0
0
1000 2000 3000 Объем воды (V), дм3 Рис.6. - Динамика степени извлечения из воды железа
2500
Я2 - 0,9981
1 ф—I-
4000
700 600 2 500 Ь 400 £ 300 | 200 м 100 0
Объем воды (V), дм3 Рис. 7. - Динамика адсорбции железа
1
0,8
/С00,6
^ 0,4 О
0,2 0
0 500 1000 1500 2000
Объем воды (V), дм3 Рис. 8. - Динамика степени извлечения из воды нефтепродуктов
200
Я2 = 0,989 --
2 150 - ---I
^ 100 -
1 50" У'
0 ----
0 500 1000 1500 2000
Объем воды (V), дм3 Рис. 9. - Динамика адсорбции нефтепродуктов
Я2 = 0,989 ---------
На основании исследований сорбционных свойств ОДМ-2Ф в статических условиях установлено, что его сорбционная емкость составляет: по алюминию -1,4 мг/г сорбента; железу до 9 мг/г и нефтепродуктам-4,6 мг/г.
Динамическая активность фильтрующего материала, также достаточно велика по алюминию, железу и нефтепродуктам и составляет соответственно 700, 850 и 170 мг/г.
В заключение можно констатировать, что полученные исследования фильтрующего материала позволяют рекомендовать ОДМ-2Ф для загрузки контактных и скорых фильтров.
Литература
1. Сперанский, П.В. Исследование местных зернистых материалов Уральского региона с целью их использования в качестве загрузки водоочистных фильтров: дис. ... канд. тех. наук: 05.23.04. Екатеринбург , 2001. 187 с.
2. Микроскопическое исследование структуры сорбентов, модифицированных высокочастотной емкости плазмой пониженного давления // URL: cyberleninka.ru/article/n/ mikrosko-picheskoe-issledovanie-struktury-sorbentov-modifitsirovannyh-vysokochastotnoy-emkostnoy-plazmoy-ponizhennogo-davleniya (дата обращения: 02.07.2016).
3. Фильтрованный материал марки ОДМ-2Ф // URL: okpur-aqua.com/products/odm2f (дата обращения: 2.07.2016).
4. Филатова Е. Г., Помазкина О. И., Дударев В. И., Соболева А. А. Обезжелезивание сточных вод гальванического производства модифицированным углеродным сорбентом // Водоснабжение и санитарная техника. 2014. №1. С. 47-52.
5. Пат. 2305001 Россия, C02F1/42. Фильтрующая загрузка для комплексной очистки воды/Т .Е. Митченко, А.А. Митченко, Н.В. Макарова, П.В. Стендер -: № 2005121732/15; Заявл.: 11.07.2005; Опубл. 27.08.2007
6. Фильтрующий материал для очистки воды от железа, марганца и сероводорода // URL: cyberleninka.ru/ article/n/filtruyuschiy-material-dlya-ochistki-vody-ot-zheleza-margantsa-i-serovodoroda (дата обращения:02.07.2016).
7. ЛаптевА.Г., Бородай Е.Н.Математическая модель процесса адсорбции при очистке сточных вод ТЭС от нефтепродуктов // Инженерный вестник Дона, 2010, №4 URL: ivdon.ru/ru/ magazine/archive/n4y2010/261.
8. Dissolved Organic Carbon Removal from Clarified Water by Granular Activated Carbon. Date Views 02.07.2016 URL: malmokongressbyra.se/ kongress/download/1507_A.%20Benetti.pdf.
9. Thermodynamic Study of Isothermal Adsorption of Aluminum Ion from Water Using Activated Carbon Adsorbent. Date Views 02.07.2016 URL: academicpub.org/DownLoadPaper.aspx?paperid=16621.
10. БреусС.А., СкрябинА.Ю., Фесенко Л.Н.Разработка технологии очистки природной воды для питьевых целей на период чрезвычайных ситуаций: производство активного хлора электролизом воды// Инженерный вестник Дона, 2016, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/ n2y2016/3655.
11. Теоретические основы и лабораторный практикум по кондиционированию воды/ Под общ.ред. С.Н. Линевича; Юж.-Рос.гос.техн.ун-т. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001. - 108 с.
12. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии (Поверхностные явления и дисперсные системы). М.: Химия, 1982. 400 с.
References
1. Speranskiy P.V. Issledovanie mestnykh zernistykh materialov Ural'skogo regiona s tsel'yu ikh ispol'zovaniya v kachestve zagruzki vodoochistnykh fil'trov [Research local granular material of the Ural region, to be used as feed water treatment filters] Ekaterinburg, 2001. 187 p.
2. Mikroskopicheskoe issledovanie struktury sorbentov, modifitsirovannykh vysokochastotnoy emkostnoy plazmoy ponizhennogo davleniya [Microscopic examination of the structure of sorbents modified high capacitance low pressure plasma]. Date Views 02.07.2016 cyberleninka.ru/article/n/ mikrosko-picheskoe-issledovanie-struktury-sorbentov-modifitsirovannyh-vysokochastotnoy-emkostnoy-plazmoy-ponizhennogo-davleniya.
3. The filter material of the brand ODM-2F. Date Views 02.07.2016 okpur-aqua.com/products/odm2f.
4. Filatova E. G., Pomazkina O. I., Dudarev V. I., Soboleva A. A. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika. 2014. №1. pp.47-52.
5. Mitchenko T.E., Mitchenko A.A., Makarov N.V. Fil'truyushchaya zagruzka dlya kompleksnoy ochistki vody [The filter media for water purification]. Pat. 2305001 Russia, C02F1/42. (27.08.2007).
6. Fil'truyushchiy material dlya ochistki vodyotzheleza, margantsa i serovodoroda [The filter material for purifying water of iron, manganese and hydrogen supplied]. Date Views 02.07.20167.berleninka.ru/ article/n/ filtruyuschiy-material-dlya-ochistki-vody-ot-zheleza-margantsa-i-serovodoroda.
7. LaptevA.G., Boroday E.N. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2010, №4 URL: http://www.ivdon.ru/ru/ magazine/archive/n4y2010/261.
8. Dissolved Organic Carbon Removal from Clarified Water by Granular Activated Carbon. Date Views 02.07.2016 www.malmokongressbyra.se/ congress /download/1507_A.%20Benetti.pdf.
9. Thermodynamic Study of Isothermal Adsorption of Aluminum Ion from Water Using Activated Carbon Adsorbent. Date Views 02.07.2016 www.academicpub.org/DownLoadPaper.aspx?paperid=16621.
10. BreusS.A., Skrjabin A.Ju., Fesenko L.N. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2016, №2 URL: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/ n2y2016/3655
11. Linevich S.N., 2001. Teoreticheskie osnovy i laboratornyy praktikum po konditsionirovaniyu vody[Theoretical Foundations and laboratory practical work on conditioning of water]. Novocherkassk: SRSTU, pp: 108.
12. Frolov Yu.G., 1982. Kurs kolloidnoy khimii (Poverkhnostnye yavleniya i dispersnye sistemy) [Course of Colloid Chemistry (Surface phenomena and disperse systems)]. Moscow: Khimiya, pp: 400.
