WATER PURIFICATION FROM BARIUM AND HARDNESS SALTS

Full Text

В практике водоочистки широко известны методы, основанные на применении озона, ультрафиолета, активированных углей, обработке воды биологическими методами. Широкое распространение получил метод реагентного фильтрования с применением коагулянтов [1, 2]. Коагуляция используется для удаления взвешенных и органических веществ, тяжелых металлов, нефтепродуктов, синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ), снижения цветности. Степень удаления загрязнений при коагуляции зависит от качества применяемых реагентов, конструкции сооружений. Важными факторами развития технологии коагуляции являются дальнейшее совершенствование теории процесса, создание новых коагулянтов и фильтрующих материалов, оптимизация конструкций сооружений, использование коагуляции с применением силовых полей [3-13]. При проведении процесса коагуляции в каждом конкретном случае должны создаваться оптимальные условия для используемого реагента и обрабатываемой воды. Только тогда достигается заданная скорость химической реакции, образование хлопьев с оптимальными параметрами, сокращение времени уменьшения устойчивости дисперсной системы. В исследуемой природной воде п. Жуково Уфимского района Республики Башкортостан содержание солей жёсткости превышает допустимое значение до 2,5 раза, солей бария - до 5 раз. При длительном употреблении воды, содержащей барий, возможно повышение у человека кровяного давления. Даже разовое употребление воды, содержание бария в которой значительно превосходит максимально допустимые значения, может привести к мышечной слабости и болям в брюшной области. Гидроксид бария оказывает негативное влияние на воздушно-дыхательные пути, прижигающее действие на роговицу глаз и кожу. Хлорид бария увеличивает проницаемость сосудов, что может привести к кровоизлиянию и отекам, вызвать анемию, лимфоцитоз, лейкопению. DOI: 10.17673/Vestnik.2017.02.6 33 Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 2 В.Д. Назаров, М.В. Назаров, А.А. Осипова, К.В. Димов, М.А. Дрёмина Норматив по барию, рекомендованный Всемирной организацией здравоохранения, составляет 0,7 мг/л. Российскими санитарными нормами установлено еще более жесткое предельно допустимое значение по барию в питьевой воде - 0,1 мг/л. Жесткая вода неприятна на вкус, в ней излишне много кальция. Высокая жесткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус и оказывая отрицательное действие на органы пищеварения. Постоянное употребление внутрь воды с повышенной жесткостью приводит к снижению моторики желудка, к накоплению солей в организме и, в конечном итоге, к заболеванию суставов и образованию камней в почках и желчных путях. По нормам СанПиН 2.1.4.1074-01 жесткость питьевой воды должна быть не выше 7 мг-экв/л. В работе были использованы следующие методы очистки воды: • реагентное фильтрование [1, 2]; • инновационный метод электрохимического фильтрования [2-13]. Реагентное фильтрование. Вода фильтруется в зернистом направлении сверху вниз. За счёт эффекта кристаллизации происходит осаждение нерастворимых солей жесткости на поверхности зерен загрузки. В качестве реагентов был использован оксихлорид алюминия, сульфат натрия. В качестве подщелачивающего реагента - гидроксид натрия. Инновационный метод электрохимического фильтрования. В фильтре расположены два электрода параллельно друг другу. Один из них изготовлен из алюминия, другой - из меди. Электроды создают электрохимический источник тока. Существует два механизма действия электрохимического фильтра: 1. Растворение электроотрицательного электродного материала, которым является алюминий. Вследствие этого образуется гидроксид алюминия, который является коагулянтом. Установлено, что электроды растворяются по закону Фарадея. 2. Поляризация зёрен фильтрующей загрузкой. В электрическом поле зерна поляризуются и образуются положительные и отрицательные связанные заряды на каждом зерне. Все диспергированные частицы, обладающие своим зарядом, идут к противоположному заряду. Закрепление извлекаемых частиц происходит под действием электростатического поля. Фильтрующие зернистые материалы применяются в любых системах водоснабжения и водоотведения для получения воды заданного качества. Фильтрующие материалы подразделяются на активные, инертные и инертно-активные. Степень активности определяется по наличию сорбционных, ионообменных и каталитических свойств, позволяющих извлекать из очищаемой воды нефтепродукты, органические вещества, тяжелые металлы, токсичные минеральные вещества. Ведётся интенсивное внедрение активных фильтрующих материалов, прежде всего для очистки от железа, марганца и сероводорода, которые чаще всего присутствуют в источниках водоснабжения, промстоках и ливневых водах. Все известные активные фильтрующие материалы делятся на две группы: • материалы с объемными каталитическими свойствами, не требующие регенерации окислителями для восстановления каталитических свойств. К первым относятся: МЖФ (Россия), Birm USA), Catalox (USA) и силицированный кальцит (Россия); • материалы с поверхностной активностью, требующие регенерации для восстановления каталитической активности: Цеокс, Ферокс, МТМ. В результате исследований, проведенных авторами, доказано, что лучшими каталитическими свойствами обладает силицированный кальцит, который был использован в дальнейших опытах. В исходную воду в качестве подщелачивающего реагента был добавлен NaOH в концентрации 100 мг/л. В результате повышен водородный показатель с 7,8 до 8,4. В качестве коагулянта был добавлен Al2(OH)3Cl3 в концентрации 100 мг/л. Затем произведено барботирование пузырьками воздуха в течение 20 мин и фильтрование подготовленной воды со скоростью 4-8 м/ч (табл. 1). Для улучшения показателей качества воды был применен метод электрохимического фильтрования. Наиболее эффективные электроположительные электроды были выполнены из коксопековой композиции. Электрод электрохимического фильтра (рис. 1), включающий в себя углеродосодержащие блоки с образованием в них электроконтактов, согласно полезной модели выполнен в форме диска 1, внутри которого расположены от центра по радиусу электроконтакты из медной проволоки с угловым расстоянием от 5 до 90 град., причем периферийные точки радиальных электроконтактов соединены круглым электроконтактом из медной проволоки, имеющим внешний токопровод, а пространство между радиальными электроконтактами содержит сквозные отверстия для прохождения воды, при этом электрод изготовлен из анодной массы, состоящей из нефтяного пека и нефтяного кокса. Электрод может быть выполнен из углеродосодержащего материала в форме плоского правильного восьмиугольника, образованного пластинами 2, вершины восьмиугольника соединены с центром электрода такими же пластинами 3, причем внутри пластин расположены электроконтакты из медной проволоки, один из которых соединен с внешним токоподводом 4, при этом электрод изготовлен из анодной массы, состоящей из нефтяного Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 2 34 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ Таблица 1 Эффект очистки природной воды от солей жёсткости и бария фильтрованием № п/п Определяемые показатели Ед. измерения Результаты испытаний Величина допустимого уровня Нормативные документы на методы исследований Результаты испытаний до фильтрования 1 Жесткость общая мг-экв/ дм3 16,0±2,400 7 ГОСТ 31954-2012 2 Барий (Ba2+) мг/л 0,525±0,105 0,1 ГОСТ 31870-2012 Результаты испытаний со скоростью 4 м/ч 1 Жесткость общая мг-экв/ дм3 8,4±1,260 7 ГОСТ 31954-2012 2 Барий (Ba2+) мг/л 0,310±0,062 0,1 ГОСТ 31870-2012 Результаты испытаний со скоростью 6 м/ч 1 Жесткость общая мг-экв/ дм3 9,0±1,350 7 ГОСТ 31954-2012 2 Барий (Ba2+) мг/л 0,328±0,065 0,1 ГОСТ 31870-2012 Результаты испытаний со скоростью 8 м/ч 1 Жесткость общая мг-экв/ дм3 9,3±1,395 7 ГОСТ 31954-2012 2 Барий (Ba2+) мг/л 0,344±0,069 0,1 ГОСТ 31870-2012 Рис. 1. Эскиз электрода в виде восьмиугольника пека и нефтяного кокса. Углеродосодержащая анодная масса состоит из 30-40 % масс нефтяного пека, остальное - нефтяной кокс. В исходную воду в качестве подщелачивающего реагента был добавлен NaOH в концентрации 100 мг/л. В результате повышен водородный показатель с 7,8 до 8,4. В качестве коагулянта был добавлен Al2(OH)3Cl3 в концентрации 100 мг/л. Затем было произведено барботирование пузырьками воздуха в течение 20 мин и фильтрование подготовленной воды со скоростью (4-8) м/ч (табл. 2). Из результатов опыта следует, что жесткость снизилась до нормативных значений, концентрация бария превышает допустимую величину. Для достижения цели испытуемая вода была пропущена через две ступени реагентного фильтрования. В первой ступени была применена модифицированная загрузка, во второй использован электрохимический фильтр. Водородный показатель исходной воды составил 7,3. При добавлении щелочи NaOH в концентрации 100 мг/л pH был доведен до 8,36. Натурная вода потеряла прозрачность, стала мутной. В качестве коагулянта применялся сернокислый натрий Na2SO4 в концентрации 150 мг/л. Аэрирование воды осуществлялось в течение 30 мин. Фильтр заполнялся силицированным кальцитом, загрузка промывалась раствором перманганата калия, после чего подготовленная вода фильтровалась с той же скоростью. Происходила следующая реакция с образованием осадка: Na2SO4+Ba(OH)2= 2NaOH+ BaSO4↓ Результаты опытов представлены в табл. 3. 2 1 3 4 35 Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 2 Таблица 3 Результаты очистки природной воды от солей жесткости и бария двухступенчатым реагентным фильтрованием № п/п Определяемые показатели Ед. измерения Результаты испытаний Величина допустимого уровня Нормативные документы на методы исследований Результаты испытаний до фильтрования 1 Жесткость общая мг-экв/ дм3 16,0±2,400 7 ГОСТ 31954-2012 2 Барий (Ba2+) мг/л 0,525±0,105 0,1 ГОСТ 31870-2012 Результаты испытаний со скоростью 4 м/ч 1 Жесткость общая мг-экв/ дм3 6,1±0,915 7 ГОСТ 31954-2012 2 Барий (Ba2+) мг-экв/ дм3 0,060±0,012 0,1 ГОСТ 31870-2012 Результаты испытаний со скоростью 6 м/ч 1 Жесткость общая мг-экв/ дм3 6,3±0,945 7 ГОСТ 31954-2012 2 Барий (Ba2+) мг-экв/ дм3 0,064±0,013 0,1 ГОСТ 31870-2012 Результаты испытаний со скоростью 8 м/ч 1 Жесткость общая мг-экв/ дм3 6,6±0,99 7 ГОСТ 31954-2012 2 Барий (Ba2+) мг-экв/ дм3 0,076±0,015 0,1 ГОСТ 31870-2012 Таблица 2 Эффект очистки природной воды от солей жесткости и бария электрохимическим фильтрованием № п/п Определяемые показатели Ед. измерения Результаты испытаний Величина допустимого уровня Нормативные документы на методы исследований Результаты испытаний со скоростью 4 м/ч 1 Жесткость общая мг-экв/ дм3 6,7±1,005 7 ГОСТ 31954-2012 2 Барий (Ba2+) мг/л 0,28±0,050 0,1 ГОСТ 31870-2012 Результаты испытаний со скоростью 6 м/ч 1 Жесткость общая мг-экв/ дм3 6,9±1,035 7 ГОСТ 31954-2012 2 Барий (Ba2+) мг/л 0,302±0,060 0,1 ГОСТ 31870-2012 Результаты испытаний со скоростью 8 м/ч 1 Жесткость общая мг-экв/ дм3 7,2±1,080 7 ГОСТ 31954-2012 2 Барий (Ba2+) мг/л 0,31±0,062 0,1 ГОСТ 31870-2012 Рис. 2. Технологическая схема очистки природной воды, содержащей повышенные концентрации солей жёсткости и бария Таким образом, можно сделать вывод: данная технология очистки справилась с поставленной целью и снизила показатели до требуемых величин. В ходе проведения опытов разработана инновационная схема водоподготовки, представленная на рис. 2. В.Д. Назаров, М.В. Назаров, А.А. Осипова, К.В. Димов, М.А. Дрёмина Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 2 36 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ Очистка природной воды осуществляется следующим образом: исследуемая вода забирается из источника водоснабжения 1 погружным насосом 2, после чего отправляется в камеру смешения 3, куда добавляется подщелачивающий реагент из реагентного хозяйства 4. Для интенсивного смешивания, хлопьеобразования и окисления оксида бария установлен компрессор 6. Далее добавляется коагулянт из реагентного хозяйства 5, после чего вода направляется в вертикальный отстойник 7. Шлам удаляется на шламовую площадку 8, а иловые воды насосом 9 направляются обратно в отстойник для повторного прохождения очистки. Фильтр 10 заполнен модифицированной загрузкой 11 , а фильтр 12 - силицированным кальцитом 13, который имеет каталитические свойства. С помощью насоса 9 исследуемый объект направляется на промывку фильтров 10 и 12. Очищенная от примесей вода поступает на завершающий этап очистки - ультрафиолетовое обеззараживание 14, а затем в резервуар чистой воды, после чего подаётся на насосную станцию второго подъёма 15 и по транспортной сети - трубопроводам - потребителю населенного пункта16. Выводы. Предложенная технология очистки природных вод от солей жесткости и бария включает в себя фильтрование в модифицированной загрузке в присутствии коагулянта и щелочного реагента, отстаивание, вторичное фильтрование в активном фильтрующем материале. Разработанная методика позволяет повысить качество воды.

About the authors

Vladimir D. NAZAROV

Ufa State Petroleum Technological University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Maksim V. NAZAROV

Ufa State Petroleum Technological University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Anna A. OSIPOVA

Ufa State Petroleum Technological University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Kirill V. DIMOV

Ufa State Petroleum Technological University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Maria A. DRYOMINA

Ufa State Petroleum Technological University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files