Озоно-сорбционно-электрохимическая технология удаления железа из природных и сточных вод

Удаление железа представляет собой одну из наиболее сложных задач процессов водоочистки и водоподготовки. Применяемые на сегодняшний день традиционные технологии обезжелезивания не в состоянии обеспечить высокую эффективность по всем требуемым параметрам. С учетом этого разработан универсальный метод, в котором совмещены электрохимическое восстановление, реагентное окисление, сорбция и фильтрация. Озоно-сорбционно-электрохимическая технология подходит для очистки сточных и природных вод, а также водоподготовки на различных производствах.

Высокая концентрация железа (>0,3 мг/л по нормам СанПин 2.1.4.1074)01) делает воду непригодной для питья и опасной для здоровья. Требования многих производств по чистоте воды намного жестче. К тому же там, где есть железо, есть и железобактерии, которые вызывают биокоррозию трубопроводов и арматуры, увеличивая содержание железа в воде в разы. Однако удаление из воды железа является одной из самых сложных задач процессов водоочистки и водоподготовки. Это обусловлено тем, что соединения железа могут присутствовать в воде в различных формах в растворенном, взвешенном и коллоидном состояниях, в виде различных химических соединений как Fe(II), так и Fe(III).

Даже беглый обзор существующих способов обезжелезивания позволяет сделать вывод о том, что на данный момент не существует универсального, экономически оправданного метода, применимого во всех случаях жизни.

Рассмотрим традиционные методы обезжелезивания вод. Во-первых, это фильтрование. В настоящее время существует большой ассортимент фильтрующих сред, являющихся катализаторами окисления железа. Наиболее распространены фильтрующие загрузки фирм Birm, AMDX, Greensand, MTM. Все они представляют собой природные или искусственные материалы, включающие в свой состав оксиды марганца. Как правило, эти загрузки применяются в паре с угольными фильтрами. Применение каталитических фильтров сдерживается их высокой стоимостью, а также необходимостью частой регенерации катализатора. Фильтрация эффективна для очистки вод с относительно невысоким содержанием железа (<15 мг/л) и экономически оправданна при применении на установках небольшой производительности.

Традиционным [7, 8] является метод окисления железа кислородом воздуха или аэрацией с последующим осаждением и фильтрацией. Использование для окисления только воздуха требует больших резервуаров, в которых можно обеспечить нужное время контакта. Окисление железа аэрацией может проводиться: фонтанированием так называемые брызгальные установки, душированием, с помощью инжектора, эжектора или компрессора, введением воздуха в трубу под напором, барботацией. Добавление сразу после аэрирования щелочных реагентов, извести, соды позволяет удалить железо из воды во всех формах. Этот способ эффективен при исходных концентрациях железа <10 мг/л. Его недостатки - длительность, необходимость больших резервуаров и оборудования для аэрации, необходимость частой регенерации фильтров.

Процесс обезжелезивания воды может быть ускорен путем добавления специальных окислителей [1-3]. Прямое обезжелезивание воды методом озонирования существенно сокращает время обработки, но требует значительного расхода озона от 0,44 мг О3/мг Fe+2 [1] до 1 мг О3/мг Fe+2[2]. Предварительное озонирование воды до остаточных концентраций железа 1,0-1,2 мг/л с последующей фильтрацией через фильтр (песчаный) позволяет достичь практически полного обезжелезивания воды [3]. Данный способ неприменим при исходных концентрациях железа в очищаемой воде >15 мг/л, требует частой регенерации фильтров и высоких энергозатрат.

Известен способ [4] очистки природных вод от железа, включающий предварительное озонирование с последующей фильтрацией взвешенной фазы через фильтр, при этом озонирование ведут в присутствии катализатора, а последующее отделение образовавшейся взвешенной фазы трехвалентного гидроксида железа осуществляют путем фильтрации через зернистую загрузку. В качестве катализатора используют пероксид водорода в концентрации 2,0-3,0 мг/л, а в качестве зернистой загрузки используется мраморная крошка фракции 1-3 мм, активированная трехвалентным гидроксидом железа. Озонирование используется в качестве кратковременной инициирующей стадии, а полное окисление завершается в объеме фильтрующей загрузки. Этот способ позволяет увеличить верхний предел концентрации исходного содержания железа в очищаемой воде до 20 мг/л и выше.

Также известен способ обезжелезивания воды путем электролиза, отличающийся тем, что с целью упрощения процесса электролиз ведут с использованием нерастворимых электродов из графита при катодной плотности тока от 0,05 А/дм2 до 0,3 А/дм2 и анодной плотности тока 0,1-0,2 А/дм2. Использование предлагаемого способа обезжелезивания воды обеспечивает непрерывное ведение процесса обезжелезивания без расходования химических реагентов и материалов. Способ применим для растворов с низким содержанием железа < 7,2 мг/л). При плотностях тока выше 0,4 А/дм2 происходит образование коллоидного железа. Очищенная таким способом вода требует дополнительной стадии доочистки фильтрацией.

Целью, лежащей в основе нашего метода, было создание универсальной технологии обезжелезивания и увеличение верхнего предела концентрации железа в очищаемой воде. Для этого мы пошли путем совмещения процессов электрохимического восстановления, реагентного окисления, сорбции и фильтрации, а также увеличения каталитической активности катодов и их эксплуатационной стойкости.

Отличительной особенностью метода озон-сорбционно-электрохимического удаления железа из вод является то, что обработка воды происходит в результате одновременного протекания процессов электрохимического восстановления ионов Fe+2 на катодах из тканных углеграфитовых волокнистых материалов (УГВМ) и процессов сорбции, фильтрации.

При этом УГВМ подвергается модифицирующему окислению озоном и армируется в никелевую сетку, что позволяет существенно увеличить степень обезжелезивания воды без наложения внешнего напряжения.

Для создания технологических узлов мы использовали УГВМ марок «Бусофит» и «Вискум». Предварительно была проведена серия испытаний, определяющих каталитическую активность материалов без обработки и после модифицирующей обработки озоном.

Из таблицы 1 видно, что степень обезжелезивания на УГВМ марок «Бусофит» и «Вискум» является низкой и не подходит для решения поставленных задач. Поэтому исходные образцы УГВМ были подвергнуты окислительной озоновой обработке.

Результаты испытаний модифицированных образцов УГВМ в процессе удаления железа из типового раствора FeSO4 0,0085n, СFe2+=228 мг/л представлены в таблице 2.

Степень обезжелезивания высококонцентрированных сточных вод на модифицированных УГВМ растет в 6-12 раз по сравнению с немодифицированной поверхностью УГВМ и сохраняется высокой даже после двухчасовой непрерывной эксплуатации. Удаление железа достаточно эффективно протекает на технологических узлах даже без наложения внешней поляризации.

Постоянное же инжектирование потока O3 + O2 смеси в очищаемую воду не только обеспечивает высокую эффективность удаления ионов железа, но и обеззараживание очищаемой воды. Высокая грязеемкость такой сорбционно-фильтрующей загрузки (сорбционная емкость выросла практически на порядок) пропорционально увеличивает межрегенерационный период.

Результаты удаления железа из типовых растворов FeSO4 с низкой концентрацией СFe+2 = 20-26 мг/л на технологических узлах Ni-УГВМк-Ni-УГВМ при наложении внешней поляризации приведены в таблице 3.

На основании результатов проведенных испытаний можно сделать следующие выводы. Метод озон-сорбционно-электрохимического удаления железа из вод является перспективным, хотя и требующим доработки, особенно велики перспективы его применения в случае сильно загрязненных вод. Метод может применяться как для водоочистки, так и для водоподготовки в промышленности. На его основе возможно создание полноценной промышленной технологии.

Также велики перспективы использования технологического решения модифицирования поверхности УГВМ с помощью обработки озоном. Технологические узлы, состоящие из УГВМ марок «Вискум» и «Бусофит», армированного в никелевую сетку, могут быть использованы в качестве фильтров отдельно, без наложения поляризации. Они могут применяться не только в промышленности, но и как бытовые фильтры для воды, т.к. по своим характеристикам намного превосходят все существующие домашние фильтры.

Литература:
1. Л.В. Можаев, И.Н. Помозов, В.К. Рома) нов. Озонирование в водоподготовке. История и практика применения. / «Сантехника, отопление, канализация», 1, 2005.
2. В.Ф. Кожинов. Установки для озонирования воды. М.: Стройиздат, 1968, с. 49)50.
3. В.Л. Драгинский, Л.П. Алексеева, В.Г. Самойлович. Озонирование в процессах очистки воды. М.: Дели принт, 2007, с. 184) 202.
4. Patent RU № 378203 C 02 F 1/64, C 02 F 1/78, опуб.10.08.2010, «Способ очистки природных вод от железа», М.Б. Гордеев, В.А. Колодяжный, В.И. Ильин, В.И. Гаврилов.
5. Автор. свид. СССР № 709551 МПК C 02 F 1/46, C 02 F 101: 20, опуб.15.01.1980,
«Способ обезжелезивания воды», Г.И. Захватов, Л.Ф. Поленов.
6. Г.Ф. Потапова, В.Л. Клочихин, Э.В. Касаткин, А.В. Путилов. «Удаление железа из сточных вод на технологических узлах, состоящих из углеграфитового волокнистого материала и никеля» // Материалы VI Международной конференции «Сотрудничество для решения проблемы отходов», 8)9 апреля 2009 г., Украина, г. Харьков.
7. http://www.m)stone.ru
8. http://www.nakipnet.ru
9. http://www.ozon)voda.ru

Журнал «Вода Magazine», №6 (58), 2012 г.