Процесс обезжелезивания воды: его суть и особенности
Из самого названия процесса понятно, что обезжелезивание призвано полностью удалить железо и марганец из воды. На самом деле, задача не из простых, особенно в быту. Какой-либо универсальный подход отсутствует, тем более экономически это не всегда выгодно.
Тем не менее методика по удалению железа и марганца из воды есть, но применять следует в определенных пределах. И, конечно, же эта методика имеет свои недостатки. Но обо всем по порядку.
На рынке существуют компании, которые предлагают услуги по очистке воды от железа. Сразу скажем, удовольствие не из дешевых. Ценовой диапазон варьируется от 30 до 150 тысяч рублей. Некоторые могут отдать солидную сумму и все будет сделано. Но можно решить проблему самим. Сперва стоит обучиться теоретическим азам.
Применять в своем обучении учебники бывает трудно, так как большая часть из них написана еще в прошлом веке. Тогда еще отсутствовали индивидуальные системы очистки воды, а были лишь крупные районные и поселковые станции. Пристально изучать форумы тоже не просто, там много спама, да и информация может отличаться. Ниже будет описан процесс обезжелезивания воды. Как это можно сделать в современных условиях в России.
В первую очередь, дадим несколько определений. Само железо в воде может быть нескольких видов: общее (его обычно выводят в анализах), растворенное (двухвалентное) и нерастворенное (трехвалентное). Последний вид состоит из частиц. Сами частицы для человеческого глаза выглядят как цветность и мутность воды или же хлопья и слизь оранжевых и красных оттенков. Иными словами, это гидролизованная ржавчина. Бывает и такое, что железо становится черным в виду метаболизма бактерий.
Наиболее ярким признаком того, что надо удалить железо из воды являются рыжие несмываемые следы на сантехнике. Отметим, что избавиться от железа, также как и от марганца в быту можно несколькими способами. Они будут перечислены в порядке актуальности.
1. Окисление и последующая фильтрация “твердых” фракций.
2. Окисление и фильтрация пиролюзитом (Mn02).
3. Ионный обмен (умягчение).
4. Обратный осмос (опреснение, обессоливание).
На выбор метода обезжелезивания влияет множество факторов:
- необходимый объем воды в час или сутки;
- количество железа, сероводорода и марганца в изначальной воде;
- наиболее важный параметр – водородный показатель pH;
- перманентная окисляемость;
- иные загрязнения воды.
И, конечно же, куда без финансовой составляющей. Каждый метод стоит денег и зачастую немалых. Например, для окисления с последующей фильтрацией понадобится: оборудование для аэрации и обезжелезиватель, итоговая сумма превысит 70 тысяч рублей. Но взамен получается много воды, 2 и более кубов в час или десяти кубов в сутки. В качестве ограничения объемов выступает только диаметр и толщина слоя.
Методика окисления с последующей фильтрацией
Как было сказано ранее, исходя из количества кислорода, растворенного в воде железо может находиться в двух состояниях: двухвалентном растворенном и трехвалентном нерастворенном. Эти состояния могут также быть разделены на коллоидную форму: золь трехвалентного железа (выглядит, как мутная вода) и крупные хлопья, способные выпадать в осадок.
Метод окисления позволяет перевести железо из растворенного состояния (двухвалентного Fe(OH)2) в нерастворенное «твердое» трехвалентное Fe(OH)3 путем присоединения к молекуле железа еще одного иона OH. При этом железо, как и многие другие вещества (марганец, сероводород, органика) уже не могут оставаться растворенными и образуют сравнительно крупные образования молекул — коллоиды и более крупные частицы, которые можно удалить механическим путем — отфильтровать.
В глубинных скважинах содержание кислорода в воде сводится к минимуму. Как итог, вода, содержащая большую концентрацию растворенных металлов выходит на поверхность в прозрачном виде. При соприкосновении с воздухом вода мутнеет или становится рыжеватых оттенков в течение одного дня. После этого за трехдневный промежуток вода снова становится прозрачной, но еще и безвкусной, а на дне можно наблюдать осадок.
Из колодцев, поселковых водопроводов и открытых источников вода часто выходит мутной, что свидетельствует о содержании в воде различных взвесей (металлов, органических веществ, песка, окисленной глины в трехвалентном состоянии) в виде коллоидных частиц. Сами частицы небольшого размера, так что человеческому взгляду они незаметны, но они большие, чтобы мешать прохождению света. Это происходит из-за увеличения содержания кислорода в такой воде. Вода растворяет в себе газы при определенных физико-химических условиях.
При помещении такой воды в открытую емкость, доля растворенного кислорода будем меняться, исходя из наружной температуры и давления. Также кислород может влиять на цветность воды. Именно по этой причине в длинном водопроводе вода, как правило, мутная (но только в том случае, если были изначально с избытком железа).
Далее поговорим о наиболее эффективных методах, которые применяются в быту и на мелких производствах. Первый метод – открытая емкость. Суть довольно-таки проста. Надо разбрызгать воду над емкостью, в которой она накапливается в нужном объеме для прохождения процесса окисления металлов и выхода сероводорода. Далее при помощи насоса второго подъема вода забирается с поверхности воды и снова заталкивается в трубу, после чего подается на фильтр.
Еще одним хорошим способом считается напорная аэрация. Принцип действия заключается в подаче воздух в водопроводную трубу под напором, который выше напора воды. Для того, чтобы разделить воду насыщенной кислородом от пузырьков, применяют колонну аэрации. Иными словами, это пустой баллон с трубками внутри. Со дна емкости берут воду на обезжелезиватель. В верхней части цилиндра находится вентиляционная трубка, занимающая четверть высоты цилиндра. По всей длине образуется воздушный пузырь. Чтобы вода не выбрасывалась из колонки, используется вентиляционный клапан с поплавковым механизмом, выпускающий наружу только воздух. Компрессор приводится в действие реле потока, установленным после системы очистки воды.
Третий способ относится к озонированию воды. Озон сам по себе является достаточно активным окислителем. Для этого берут генератор озона и подают его в водопровод. Отметим, что при взаимодействии с озоном реакции окисления происходят быстро. Однако стоимость оборудования слишком высокая, что делает его применение в бытовой обстановке не совсем целесообразным.
Окисление и фильтрация пиролюзитом
Данный метод считается подходящим для избавления от небольшого количества двухвалентного железа. Обязательными условиями должно быть высокое содержание pH и отсутствие органики и сероводорода в воде. В процессе железо окисляется посредством компонента загрузки фильтра без аэрации, без иных реагентов и озона. Применяется исключительно обезжелезиватель с загрузкой сорбента и пиролюзита.
Пиролюзит является природным материалом. По-другом это диоксид марганца. Этот материал особо применяется в сфере производства батареек. Кроме того, из него производят марганцовку и используют в химической промышленности. При очистке воды пиролюзит MnO2 используется в качестве каталитического материала для удаления железа, марганца, органических соединений и сероводорода, поскольку пиролюзит является хорошим окислителем.
Ионный обмен (умягчение)
В целях удаления примесей из воды на протяжении многих десятилетий применяются, так называемые, ионообменные смолы. Это катиониты и аниониты, для которых нужна поваренная соль в таблетках. Сам процесс удаления солей при помощи ионного обмена называется умягчением. В целом, этот метод применяют только для удаления солей жесткости, а именно соли, магния и кальция. Тем не менее, существуют и ионообменные смолы для обезжелезивания.
Как происходит сам процесс удаления железа? Перед умягчителем устанавливают осадочный фильтр. Сам процесс целиком и полностью отличается от обезжелезивания. Смолы не окисляют и не переводят растворенные вещества в твердую форму для последующей фильтрации, а заменяют («поглощают») растворенные в воде вещества при помощи катионов натрия, что не придает воде такого свойства, как жесткость. Общая солевая насыщенность воды остается неизменной или даже увеличивается. Это зависит от типа растворенного вещества, которое улавливает смола.
Исходя из вышеизложенного, возникает важный параметр ионообменных смол – ионообменная емкость смолы. Емкость смолы аналогична емкости электрической батареи. Имеется запас натрия, который постепенно расходуется при ионном обмене, тем самым снижается способность смолы поглощать растворенные вещества из воды. Когда натрий заканчивается, очистка заканчивается – вода проходит сквозь толщу смолы, не меняя ее свойств.
Принцип обратного осмоса
Этот метод по праву можно назвать принципиально иным в плане очистки воды. В данном случае воду фильтруют сквозь специализированную мембрану. Грубо говоря, это сеть, через которую проходят молекулы воды, но не проходят молекулы солей жесткости и растворенных металлов. При таком способе удерживаемые молекулы не образуют осадка на поверхности мембраны, а сразу сбрасываются в канализационную систему. В процессе фильтрации при обратном осмосе вода разделяется на два потока: пермеат (очищенная вода) и концентрированная (грязная вода). На один кубический метр очищенной воды в среднем выходит полтора куба концентрата, который необходимо сливать.
Системы обратного осмоса эффективно удаляют растворенные металлы и соли жесткости. Они не заменяют одни вещества другими, как ионообменные смолы, а фактически очищают воду от примесей, что является большим преимуществом обратного осмоса. Но это, пожалуй, самый дорогой процесс очистки воды, и по экономическим соображениям он реже всего используется для удаления растворенного железа и марганца.