Фильтрующие материалы

Возрастающая потребность в питьевой воде диктует развитие технологий очистки поверхностных и артезианских вод, а вслед за этим усовершенствование фильтрующих материалов. Если ранее эти технологии в основном совершенствовались в конструктивном направлении и за счет автоматизации управления системами очистки, то теперь можно ожидать, что существенное, качественного характера изменение произойдет при создании ряда высоко селективных фильтрующих материалов. При этом их регенерация не должна сопровождаться применением химических реагентов, загрязняющих окружающую среду или создающих значительные проблемы с утилизацией, что характерно для селективных фильтрe, выпускаемых в настоящее время.

Современные фильтрующие материалы при всем их кажущемся многообразии мало отличаются от аналогов средины ХХ в., хотя и претерпели незначительные усовершенствования. Так, фильтрующие материалы для очистки воды от железа, основанные на применении соединений марганца, были известны и использовались для этих целей еще в начале прошлого века, то же можно сказать и о песке, кварце, активированных углях. Технологии получения ионообменных смол и их производство 60–70-е гг. Помимо этих основных фильтрующих материалов используется огромное количество природных и искусственных, которые в общем-то не вносят принципиальных изменений в качество очистки воды. Перспективным направлением, по нашему мнению, является создание селективных катализаторов, функция которых – превращение удаляемых из воды различных химических соединений в труднорастворимую форму, улавливаемую в виде дисперсных частиц на механическом фильтре. Очистка последнего осуществляется традиционно взрыхлением обратным потоком воды, если не существует каких-либо специальных, специфических требований. Помимо катализаторов, возможно создание замкнутых технологий использования воды или ее растворов в промышленности, когда улавливаемые примеси или реагенты после очистки воды возвращаются в цикл производства, например гальванического.

ЗАО «Академия перспективных технологий» работает в области создания новых фильтрующих материалов и катализаторов, учитывая, что основными примесями, которые характерны для питьевой воды из артезианских источников, являются железо, соли жесткости, а вода из поверхностных источников содержит органические соединения, микробы и бактерии. Для удаления железа, марганца, алюминия был разработан фильтрующий материал — катализатор, не содержащий марганца, не требующий регенерации и работающий при удалении железа до концентраций 30 мг/л. При более высоких концентрациях исследования не проводились. Имеется продолжительный опыт эксплуатации, более 3 лет, систем очистки питьевой воды из различных источников с концентрациями железа 12–16 мг/л. Катализатор выпускается в промышленных масштабах – до 100 т в месяц, дешевле зарубежных аналогов, которые основаны на соединениях марганца и регенерируются постоянно или периодически марганцо вистокислым калием.

Фильтрующий материал-катализатор АПТ-2 с двумя функциями («два в одном»)

Первая функция фильтрующего материала – удаление железа, марганца, алюминия и т.п. Фильтрующий материал работает как катализатор. Для этого перед подачей воды на этот фильтр необходимо воду насыщать воздухом. Количество воздуха, вводимого при атмосферном давлении, может быть определено по формуле:
G = 2 C (Fe2+),

где C (Fe2+) – концентрация закисного железа. Железо, марганец окисляются катализатором и переходят в дисперсные твердые частицы, которые улавливаются механически слоем загрузки. При этом высота фильтрующего слоя должна быть достаточной для того, чтобы уловить эти частицы. Высота слоя катализатора – не менее 50 см. Для регенерации фильтрующего материала достаточно интенсивного взрыхления обратным потоком воды в течение 10–15 мин. После этого фильтрующий материал готов к новому циклу очистки.

Вторая функция фильтрующего материала — катализатора удаление солей кальция и магния, т.е. жесткости, по механизму ионного обмена. Динамическая емкость фильтрующего материала по этим примесям – не ниже 1000 мг-экв/л (по результатам испытаний института «Водгео» динамическая емкость равна 1600 мг-экв/л). При совместном удалении железа, марганца и солей жесткости фильтрующий материал работает по-разному: по железу и марганцу – как катализатор, а по солям жесткости – как ионообменник. Регенерацию осуществляют по исчерпании емкости смолы по солям жесткости.

Количество воды, которое может очистить загрузка фильтрующего материала от солей жесткости, равно:
Q = Eдин Vсмол / Cж. воды,
где Q – количество очищенной воды;
Eдин – динамическая емкость смолы;
Vсмол – объем загруженной смолы;
Cж. воды – жесткость очищаемой воды.

Регенерация фильтрующего материала осуществляется 8–10%-ным раствором NaCl по традиционной технологии. Достаточно порядка 3 объемов раствора (относительно загрузки) пропустить в обратном направлении для регенерации слоя. Первый объем пропустить снизу вверх, затем второй объем залить и выдержать в течение приблизительно часа и третий объем пропустить так же, как и первый.

Катализатор АПТ-1 на основе кварца для удаления железа и марганца

Этот катализатор при удалении железа и марганца работает по такому же механизму, как и предыдущий фильтрующий материал, но его каталитические свойства несколько ниже и высота загрузки должна быть не менее 1 м (рекомендуется 1,5 м). Эффективно работает с дозированием воздуха, как и АПТ-2, а также озона, так как не содержит органических соединений. При этом он может удалять железо до концентрации 14 мг/л. Регенерация – взрыхление обратным потоком воды в течение 10–15 мин (как механических песчаных фильтров).

Фильтрующий материал АПТ-3 для удаления органики

Фильтрующий материал АПТ-3 для удаления органики cпособен поглощать органические соединения и соли жесткости. Органические соединения — это широкий класс загрязнений, включающий органические кислоты, легкие и тяжелые углеводороды, комплексообразователи и др. Поэтому точную обменную емкость по всему спектру примесей, состав которых меняется в зависимости от нахождения источника воды, трудно определить. Из опыта применения фильтрующего материала значение поглощающей способности – 2 кг органических
загрязнений на 1 м3 загрузки. По солям жесткости – 0,5–0,8 мг-экв/л. Регенерация фильтрующего материала осуществляется так же, как и материала «два в одном» – 8–10%-ным раствором
NaCl c 1–2% NaOH. Ориентировочный расчет количества воды, очищенной от органических загряз нений, можно определить по формуле:

Q = V (E x 2,5) 1000 : C,
где Q – количество очищенной воды;
Е – условная рабочая емкость по органическим загрязнениям, 2–3 кг/м3;
2,5 – коэффициент пересчета единиц измерения содержания органических
загрязнений в воде;
С – содержание органических загрязнений в очищаемой воде по
кислороду.

Фильтрующий материал АПТ-4 для бактерицидной обработки воды

Фильтрующий материал АПТ-4 для бактерицидной обработки воды это ионообменная смола в серебряной форме, которая дозирует в воду ионы серебра с концентрацией 0,015 мг/л, что ниже санитарных норм – 0,05 мг/л. Устанавливается в фильтр очистки воды перед катализатором, удаляющим железо. Вода, содержащая 0,015 мг/л серебра, поступает из ионообменной смолы на катализатор, где серебро переходит в труднорастворимое соединение. Возникает новое равновесие, уже между формой серебра на катализаторе и водой. Концентрация серебра в воде после катализатора составляет 10-4 – 10-5 мг/л. При таком расположении слоев происходит длительный контакт воды с фильтрующими материалами, содержащими серебро, помимо этого вода, выходя из фильтра, содержит серебро. Расход последнего незначительный, при очистке 10 тыс. т воды из фильтра уходит 1 г серебра. Регенерация фильтрующего материала с бактерицидной обработкой и катализатором удаления железа, марганца, алюминия осуществляется обратным потоком воды. Так как удельный вес бактерицидного материала меньше, чем у катализатора, то при взрыхлении обратным потоком слои автоматически разделяются и бактерицидный материал всегда находится сверху первым по ходу очищаемой воды. Вода перед подачей в фильтр должна аэрироваться, лишний воздух перед подачей воды на фильтрующий материал удаляется с помощью клапана сброса воздуха. При удалении жесткости и органики емкость по солям жесткости будет ниже по сравнению с загрузкой только одним АПТ-2 приблизительно на 25% (для соотношения АПТ-2/АПТ-3 = 1).

Помимо представленных выше фильтрующих материалов разработан бактерицидный сорбент на основе ионообменных смол для дозирования в воду йода.

Все фильтрующие материалы могут применяться в фильтрах различной конструкции в существующих системах очистки и вновь создаваемых. Стандартные модульные системы выполнены из нержавеющей стали, имеют производительность от 1,0 до 3,5–5,0 м3/ч, нестандартные модульные системы – до 150 м3/ч. Производительность может быть увеличена путем параллельной установки модулей либо в соответствии с требованиями заказчика.

В настоящее время такие установки работают в Подмосковье (более 100), в Волгограде – в детских учреждениях, в Рязани – на молочном заводе, в Череповце – на заводе «Аммофос», в Анапе и Калуге – на линиях розлива воды, в Одессе – на морском нефтеприемном портале, в Москве (системы очистки воды энергетических установок, метрополитена, автомобильных моек, очистки и обеззараживания без хлора воды плавательных бассейнов, в электронной промышленности при производстве кремния высокой чистоты). Фильтры производительностью до 5 м3/ч установлены на объектах ракетных войск России.

Фильтрующие материалы применяются для очистки теплоносителя атомных станций и реакторных установок. Так, большой опыт накоплен по очистке воды от радионуклидов в Российском научном центре «Курчатовский институт», на различных АЭС, а также в результате работ по очистке рек, впадающих в Днепр, при ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС.

С современными методами очистки воды вы можете ознакомиться в нашем архиве рассылок Качество воды: проблемы и решения

А.Ф. Чабак, канд. техн. наук
ЗАО «Академия перспективных технологий»

Недавние выпуски