Удаление из воды железа — одна из самых сложных задач в водоочистке.
1. Окисление
(кислородом воздуха или аэрацией, хлором, перманганатом калия, перекисью водорода, озоном) с последующим осаждением (с коагуляцией или без нее) и фильтрацией.
Традиционный метод, применяемый уже много десятилетий. Так как реакция окисления железа требует довольно длительного времени, то использование для окисления только воздуха требует больших резервуаров, в которых можно обеспечить нужное время контакта. Это наиболее старый способ и используется только на крупных муниципальных системах. Добавление же специальных окислителей ускоряет процесс. Наиболее широко применяется хлорирование, так как параллельно позволяет решать проблему с дезинфекцией. Наиболее передовым и сильным окислителем на сегодняшний день является озон. Однако установки для его производства довольно сложны, дороги и требуют значительных затрат электроэнергии, что ограничивает его применение. Необходимо отметить также, что в концентрированном виде (например, на точке ввода в воду) озон является ядом (как, собственно говоря, и многие другие окислители) и требует очень внимательного к себе отношения.
Частицы окисленного железа имеют достаточно малый размер (1-3 мкм) и поэтому осаждаются достаточно долго, поэтому применяют специальные химические вещества — коагулянты, способствующие укрупнению частиц и их ускоренному осаждению. Применение коагулянтов необходимо также потому, что фильтрация на муниципальных очистных сооружениях осуществляется в основном на устаревших песчаных или антрацитовых осветлительных фильтрах (не способных задерживать мелкие частицы). Однако даже применение более современных фильтрующих засыпок (например, алюмосиликатов) не позволяет фильтровать частицы размером менее 20 микрон. Проблему могло бы решить применение специальной керамики, но она достаточно дорого стоит (так как не производится в России).
У всех перечисленных способов окисления есть ряд недостатков.
• Если не применять коагулянты, то процесс осаждения окисленного железа занимает долгое время, в противном же случае фильтрация некоагулированных частиц сильно затрудняется из-за их малого размера.
• Методы окисления (в меньшей степени это относится к озону) слабо помогают в борьбе с органическим железом.
• Наличие в воде железа часто (а практически всегда) сопровождается наличием марганца. Марганец окисляется гораздо труднее, чем железо и, кроме того, при значительно более высоких уровнях рН.
Все вышеперечисленные недостатки сделали невозможным применение этого метода в сравнительно небольших бытовых и коммерческо-промышленных системах, работающих на больших скоростях.
2. Каталитическое окисление с последующей фильтрацией.
Наиболее распространенный на сегодняшний день метод удаления железа, применяемый в высокопроизводительных компактных системах. Суть метода заключается в том, что реакция окисления железа происходит на поверхности гранул специальной фильтрующей среды, обладающей свойствами катализатора (ускорителя химической реакции окисления). Наибольшее распространение в современной водоподготовке нашли фильтрующие среды на основе диоксида марганца (MnO2): Birm, AG Mn, МЖФ и др. Эти фильтрующие «засыпки» отличаются между собой как своими физическими характеристиками, так и содержанием диоксида марганца и поэтому эффективно работают в разных диапазонах значений характеризующих воду параметров. Однако принцип их работы одинаков. Железо (и в меньшей степени марганец) в присутствии диоксида марганца быстро окисляются и оседают на поверхности гранул фильтрующей среды. Впоследствии большая часть окисленного железа вымывается в дренаж при обратной промывке. Таким образом, слой гранулированного катализатора является одновременно и фильтрующей средой. Для улучшения процесса окисления в воду могут добавляться дополнительные химические окислители. Наиболее распространенным является перманганат калия KМnO4 («марганцовка»), так как его применение не только активизирует реакцию окисления, но и компенсирует «вымывание» марганца с поверхности гранул фильтрующей среды, то есть регенерирует ее. Используют как периодическую, так и непрерывную регенерацию.
Все системы на основе каталитического окисления с помощью диоксида марганца кроме специфических (не все из них работают по марганцу, почти все они имеют большой удельный вес и требуют больших расходов воды при обратной промывке) имеют и ряд общих недостатков.
• Они неэффективны в отношении органического железа. Более того, при наличии в воде любой из форм органического железа, на поверхности гранул фильтрующего материала со временем образуется органическая пленка, изолирующая катализатор — диоксид марганца от воды. Таким образом, вся каталитическая способность фильтрующей засыпки сводится к нулю. Практически «на нет» сводится и способность фильтрующей среды удалять железо, так как в фильтрах этого типа просто не хватает времени для естественного протекания реакции окисления.
• Системы этого типа все равно не могут справиться со случаями, когда содержание железа в воде превышает 10-15 мг/л, что совсем не редкость. Присутствие в воде марганца только усугубляет ситуацию.
На принципе каталитического окисления основана работа таких фильтров-обезжелезивателей, как фильтры серии EIM.
3. Ионный обмен
Ионный обмен как метод обработки воды известен довольно давно и применялся (да и теперь применяется) в основном для умягчения воды. Раньше для реализации этого метода использовались природные иониты (сульфоугли, цеолиты). Однако с появлением синтетических ионообменных смол эффективность использования ионного обмена для целей водоочистки резко возросла.
С точки зрения удаления из воды железа важен тот факт, что катиониты способны удалять из воды не только ионы кальция и магния, но и другие двухвалентные металлы, а значит и растворенное двухвалентное железо. Причем теоретически, концентрации железа, с которыми могут справиться ионообменные смолы, очень велики. Достоинством ионного обмена является также и то, что он «не боится» верного спутника железа — марганца, сильно осложняющего работу систем, основанных на использовании методов окисления. Главное же преимущество ионного обмена то, что из воды могут быть удалены железо и марганец, находящиеся в растворенном состоянии. То есть совсем отпадает необходимость в такой капризной и «грязной» (из-за необходимости вымывать ржавчину) стадии, как окисление.
Однако на практике, возможность применения катионообменных смол по железу сильно затруднена. Объясняется это следующими причинами:
• Применение катионитов целесообразно там, где существует также и проблема с жесткостью воды, так как железо удаляется из воды вместе с жесткостью. Там, где ситуация с жесткостью достаточно благополучная, применение катионообменных смол нерационально.
• Ионообменные смолы очень критичны к наличию в воде трехвалентного железа, которое «забивает» смолу и очень плохо из нее вымывается. Именно поэтому нежелательно наличие в воде не только уже окисленного железа, но и растворенного кислорода и других окислителей, наличие которых может привести к его образованию. Этот фактор накладывает также ограничение и на диапазон рН, в котором работа смол эффективна.
• При высокой концентрации в воде железа, с одной стороны возрастает вероятность образования нерастворимого трехвалентного железа (со всеми вытекающими отрицательными последствиями — см. выше) и, с другой стороны, гораздо быстрее истощается ионообменная ёмкость смолы. Оба этих фактора требуют более частой регенерации, что приводит к увеличению расхода соли.
• Наличие в воде органических веществ (в том числе и органического железа) может привести к быстрому «зарастанию» смолы органической пленкой, которая одновременно служит питательной средой для бактерий.
Тем не менее, именно применение ионообменных смол представляется перспективным направлением в деле борьбы с железом и марганцем в воде. Задача заключается в том, чтобы подобрать такую комбинацию ионообменных смол (подчас весьма сложную и многокомпонентную), которая была бы эффективна в достаточно широких пределах параметров качества воды.
4. Мембранные методы
Мембранные технологии достаточно широко используются в водоподготовке, однако удаление железа отнюдь не главное их предназначение, а скорее побочный эффект. Этим и объясняется тот факт, что применение мембран пока не входит в число стандартных методов борьбы с присутствием в воде железа. Основное назначение мембранных систем — удаление бактерий, простейших и вирусов («холодная стерилизация»), частичное или глубокое обессоливание питьевой воды. Тем не менее, микрофильтрационные мембраны все же пригодны для удаления уже окисленного трехвалентного железа, ультрафильтрационные и нанофильтрационные мембраны также способны удалять коллоидное и бактериальное железо, а обратноосмотические мембраны удаляют даже растворенное органическое и неорганическое железо.
Практическое же применение мембран для работы по железу ограничено следующими факторами:
• Зарастание органикой и забивание поверхности нерастворимыми частицами (в данном случае ржавчиной). Это означает, что мембранные системы требуют достаточно тщательной предварительной подготовки воды, в частности — удаления взвесей и органики. То есть мембранные системы применимы либо там, где нет органического, коллоидного, бактериального и трехвалентного железа, либо проблема с этими загрязнениями должна быть предварительно решена другими методами.
• Стоимость.
5. УСВР-сорбция
Стоит отметить еще 1 способ удаления железа из воды. Это УСВР-сорбция.
Результаты исследований достоверно показали, что 1 грамм этого вещества сорбирует и надежно удерживает в своей массе до 50 грамм различных веществ, включая железо и марганец. Этот способ фильтрации воды достаточно молод по сравнению с традиционными. Эффективность УСВР достигает фантастических показателей, уменьшающих содержание железа и марганца до показателей от 5 до 300 раз от предельно допустимых концентраций, практически не меняя ионный состав исходной воды.
| № | наименование |
норматив ПДК, мг/дм3 |
содержание железа в воде из источника питьевого водоснабжения, мг/дм3 |
содержание железа в вода, прошедшей доочистку в УСВР-фильтре, мг/дм3 |
уменьшено по отношению к нормативу ПДК (раз) |
| 1 | Железо общее | 0,3 | 1,46 | 0,04 | 7,5 |
| 2 | Марганец | 0,1 | 0,1 | 0,01 | 10 |
| 3 | Железо общее | 0,3 | 8,75 | 0,01 | 30 |
| 4 | Марганец | 0,1 | 0,17 | 0,012 | 10 |
| 5 | Железо общее | 0,3 | 2,6 | 0,01 | 30 |
| 6 | Железо общее | 0,3 | 0,6 | <0,001 | >300 |
Исследования проводились с 2000 года различными аккредитованными авторитетными лабораториями и центрами США, Европы и России, после которых и были признаны результаты эффективности очистки (доочистки) питьевой воды сорбентом УСВР.
6. Дистилляция
Дистилляция является давно известным и проверенным способом глубокой очистки воды. Принцип дистилляции фактически повторяет круговорот воды в природе. Вода, испаряясь, освобождается практически ото всех растворенных и нерастворенных примесей. В дистилляторах для ускорения естественного процесса испарения воды применяется нагревание воды до температуры кипения, что приводит к интенсивному образованию пара. При этом механические частицы, содержащиеся в воде (включая бактерии, вирусы и прочую «живность», а также коллоиды и взвешенные частицы) оказываются слишком тяжелыми, чтобы быть подхваченными паром. Одновременно почти все растворенные в воде химические вещества (включая соли железа, других тяжелых металлов, соли жесткости и т.д.) достигают предела своей растворимости (за счет повышенной температуры и особенно увеличения концентрации — вода-то постоянно улетучивается) и выпадают в осадок. Таким образом, вместе с паром могут «вознестись» только летучие органические соединения (среди которых, правда и такие опасные, как тригалометан — потенциальный канцероген — и другие). Именно поэтому в дистилляторах часто устанавливают фильтр доочистки на основе активированного угля из скорлупы кокосового ореха.
В дальнейшем пар, охлаждаясь (в природе — в верхних слоях атмосферы, в дистилляторах — в специальных конденсаторах, простейшим из которых является змеевик), конденсируется, опять превращаясь в воду. Этот конденсат и является той водой, которую называют дистиллятом. Дистиллированную воду достаточно широко используют для технических нужд (в промышленности, медицине, в химических лабораториях). Хорошо всем известный пример использования дистиллированной воды — заливка в аккумуляторы автомобиля. В быту же дистилляторы не нашли широкого применения.
Ограниченность же применения дистилляторов в настоящее время объясняется следующими причинами:
- малой производительностью — что-то около 1 литра в час;
- постоянно образующимся осадком и накипью;
- излучением тепла, в довольно значительных количествах;
- потреблением значительного количества энергии.