Безреагентное дефторирование подземных вод с помощью фильтрующей среды КДМ
Содержание фтора в подземных водах, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения (колодцы, артезианские скважины), сильно варьирует в зависимости от географического расположения и глубины источника. Фтор является гигиенически значимым химическим элементом, и его предельно допустимая концентрация в питьевой воде не должна превышать 1,5 мг/л. Увеличение концентрации очень опасно: возрастает риск заболевания зубным флюорозом (появление пятен на зубах), в случае сильного превышения (5 мг/л) – флюорозом костных тканей.
Существующие методы дефторирования воды условно разделяют на две группы (Фрог Б. Н., Левченко А. П. Водоподготовка. МГУ, 1996):
- Методы сорбции фтора осадком гидроксида алюминия или магния, а также фосфата кальция. Эти методы обычно используют с одновременным обесцвечиванием и осветлением для обработки поверхностных вод или одновременно с реагентным умягчением для обработки подземных вод.
- Методы фильтрования воды через фторселективные материалы, основанные на обменной адсорбции фторид-ионов. Эти методы наиболее целесообразны при дефторировании подземных вод, где уровень растворенного кислорода низкий и нет необходимости в осветлении. В качестве фторселективных сорбентов используют сильноосновные катиониты и аниониты, магнезиальные сорбенты, фосфат кальция, модифицированные загрузки – активированные угли, активированный оксид алюминия, алюмомодифицированные клиноптилолиты, а также отожженная костная мука.
Для восстановления сорбционно-обменных свойств после насыщения фторид-ионами фторселективные материалы периодически регенерируют посредством химической обработки.
В последнее время широкое распространение получил метод дефторирования с помощью обратного осмоса, основанный на применении полупроницаемых мембран.
Без применения химических реагентов в практике промышленной очистки воды используется метод злектрокоагуляции, основанный на получении высокоактивного гидроксида алюминия путем электролитического растворения анодов из алюминия и его сплавов.
Описанные выше методы по сложности эксплуатации, высокой стоимости и энергозатратам ограничивают широкое их применение.
КДМ был задуман как корректирующая рН, каталитически активная добавка для фильтров-обезжелезивателей с целью увеличения скорости окисления растворенного железа, марганца и ионов тяжелых металлов.
КДМ представляет собой гранулированный коррозионно-неустойчивый сплав системы алюминий-магний, покрытый пористой оболочкой из оксидов магния и меди. Сильный подщелачивающий эффект (рН > 9,5) на поверхности и в приграничном слое гранул способствует образованию малорастворимого осадка в результате реакции окисления и гидролиза ионов металла. Предполагалось, что свежеобразованный гидроксид магния при таких значениях рН должен сорбировать фторид-ион достаточно быстро.
| Объект | 1 | 2 | 3 |
|---|---|---|---|
| Производительность фильтра, л/мин. | 25 | 33 | 17 |
| Размер баллона, дюйм | 1054 | 1252 | 844 |
| Объем смеси, л | 30 (1:1) | 47 (1:1,5) | 19 (1:1,5) |
| Исходная концентрация фтора, мг/л | 2,4 | 1,73 | 2,5 |
| Концентрация фтора после осадочного фильтра, мг/л | 1,1 | 0,3 | 1,4 |
| Время контакта, мин. | 1,2 | 1,4 | 1,1 |
Первоначально были проведены лабораторные испытания на модельном растворе фторида натрия с концентрацией фтора 3,8 мг на литр водопроводной воды. Нижняя часть колонки сечением 16 см2 была заполнена стекловолокном (высота слоя 30 мм). В качестве загрузки использовали КДМ зернистостью 0,8–1,2 мм, объем загрузки выбран из расчета времени контакта 1 мин. и составил 185 см3. Предварительно колонку промыли 5 л водопроводной воды. Модельный раствор пропускали через колонку сверху вниз с объемной скоростью 0,21 л/мин. На анализ были отобраны две пробы фильтрата, полученного при двух разных временах контакта. Полученные результаты представлены на рисунке (кривая 0).
Для испытаний КДМ на подземных водах были выбраны три объекта с повышенным содержанием фтора (таблица). С целью предотвращения спекания гранул между собой и повышения эффективности работы гранул КДМ экспериментально была подобрана смесь КДМ фракции 1,2–4 мм с кварцевым песком фракции 0,5–1,0 мм в соотношении 1:1 и 1:1,5. Смесь засыпалась в пластиковые баллоны, промывка производилась с помощью трехциклового автоматического блока управления по сигналу таймера. Частота и продолжительность промывок устанавливались в соответствии с анализом на содержание в воде растворенного железа. В качестве осадочного фильтра использовался фильтр с активированным углем марки 207С. Угольный фильтр был выбран по причине возможной сорбции органического фтора, содержание которого в подземных водах может составлять до 30 %. На одном из объектов в качестве осадочного фильтра был опробован фильтр с сорбентом ОДМ-2М.
Расчет времени контакта производился из общего объема смеси КДМ с песком и производительности фильтра. Это объясняется образованием чрезвычайно легкого взвешенного слоя гидроксида магния, который равномерно распределяется в слое песка в результате перемешивания обратным током воды.
Результаты испытаний по снижению КДМ содержания фторид-ионов в подземных водах без использования реагентов
Как видно из результатов лабораторных и натурных испытаний (рисунок, кривые 1, 2, 3), КДМ эффективно снижает содержание фторид-ионов в подземных водах без использования каких-либо реагентов. Химизм процесса дефторирования на КДМ-загрузке, по всей видимости, аналогичен взаимодействию свежеобразованных гидроксидов магния и алюминия с фторид-ионами в реагентных методах с образованием труднорастворимых алюмо- и магниефторидных комплексов.
Ресурс дефторирующих фильтров на основе КДМ можно спрогнозировать из практики применения КДМ в безреагентных фильтрах-обезжелезивателях. Фильтры с загрузкой КДМ для удаления растворенного железа работают и наблюдаются уже в течение 2 лет. Поскольку для дефторирования требуются большие количества КДМ, чем для обезжелезивания, то можно ожидать, что ресурс дефторирующих фильтров на основе КДМ может составить срок не менее 3 лет.
С. В. Новоженов, П. П. Дебелый