Водоподготовка – процесс сложный и требует тщательного продумывания. Существует очень много технологий и нюансов, которые прямо или косвенно повлияют на состав водоподготовки, поэтому разрабатывать технологию, оборудование, этапы следует очень тщательно. Для решения проблемы получения питьевой воды, отвечающей всем требованиям и СанПиН, синтезированы принципиально новые полимерные материалы, обладающие уникальными свойствами. Это полимеры пространственно-глобулярной структуры (ПГС-полимеры). ПГС-полимеры по эффективности и механизмам очистки заменяют все ранее известные фильтрующие материалы.
Ключевые слова: водоподготовка питьевой воды, поверхностные источники, полимеры пространственно-глобулярной структуры, фильтрация воды.
Водоподготовка питьевой воды очень важна. Источниками водоснабжения являются подземные и поверхностные источники, качества воды в которых из-за антропогенного воздействия в последнее время значительно ухудшилось. Потребление воды такого качества негативно воздействует как на здоровье человека, так и на инженерное оборудование жизнеобеспечения. Решение этих проблем обеспечивает применение технологического оборудования очистки воды. Так как состав и степень загрязнение воды изменяется в широком диапазоне, то технология очистки воды может включать различные типы и оборудования. Создание очистителей воды универсального применение является актуальной задачей. При этом важными являются как стоимостные, так и эксплуатационные показатели оборудования.
Главная цель водоподготовки питьевой воды — очистить воду от грубодисперсных и коллоидных примесей, солей жесткости.
Целью работы является модернизация технологий водоподготовки за счет дополнительного узла.
К поверхностным источникам относятся реки, озера, искусственные водохранилища, пруды. Общими свойствами воды поверхностных источников являются низкая минерализация, большое количество взвешенных веществ, высокий уровень микробного загрязнения, колебания расхода воды в зависимости от времени года и метеорологических условий. Величина активной реакции большинства поверхностных источников находится в диапазоне рН 6,5–8,5.
В последние годы практически на всей территории Республики Казахстан резко ухудшилось качество питьевой воды. Загрязнены водозаборы, особенно функционируют старые, сильно корродирующие системы водопровода, в питьевую воду в больших количествах попадают отходы производств и жизнедеятельности человека. Загрязнено большинство колодцев, грунтовых и подземных вод. Во многих регионах существует опасность возникновения чрезвычайных ситуаций, связанных залповые выбросы вредных веществ и их попадание в питьевую воду со всеми вытекающими последствиями (массовые отравления, эпидемии и. т.д.), прорывы дамб, наводнения, засухи, последствия ядерных взрывов, разрушения систем водоснабжения в результате землетрясений и других природных явлений. Такие чрезвычайные ситуации уже неоднократно возникали, хотя и не предавались широкой огласке (ртуть в воде канала Иртыш-Караганда, в грунтовых водах г.Павлодара, бор в питьевой воде г.Актюбинска, радионуклиды и цветные металлы в питьевой воде Восточно- Казахстанского экологическими катастрофами: засухи, последствия ядерных взрывов, Центрально-Казахстанского регионов, гербициды в питьевой воде Приаралья и. т.д).
Вероятность локальных катастроф с питьевой водой постоянно возрастает. В этой связи весьма высокоэффективных, компактных очистных устройств индивидуального и коллективного назначения, с помощью которых население имеет возможность получать доброкачественную питьевую воду из загрязненных источников (реки, озера, ручьи, арыки и. т.д.).
Методы водоподготовки должны выбираться при сопоставлении состава исходной воды и ее качества, регламентированного нормативными документами или определенного потребителем воды. После предварительного подбора методов очистки воды анализируются возможности и условия их применения, исходящие из поставленной задачи. Чаще всего результат достигается поэтапным осуществлением нескольких методов. Таким образом, важными являются как выбор собственно методов обработки воды, так и их последовательность.
В последние годы все большее значение в очистке водных и не водных систем приобретают мембранные методы — (электроанализ, обратный осмос, ультрафильтрация, микрофильтрация, нанофильтрация). Обратный осмос(размеры пор 1–15 А, рабочее давление 0,5–8,0 МПа) применяется для деминерализации воды, задерживает практически все ионы на 92–99 %, а при двухступенчатой системе и до 99,9 %. Нанофильтрация(размеры пор 10–70 А, рабочее давление 0,5–8,0 МПа) используется для отделения красителей, пестицидов, гербицидов, сахарозы, некоторых растворенных солей, органических веществ, вирусов и др. Ультрафильтрация(размеры пор 30–1000 А, рабочее давление 0,2–1,0 МПа) применяется для отделения некоторых коллоидов (кремния, например), вирусов (в том числе полиомиелита), угольной сажи, разделения на фракции молока и др. Микрофильтрация(размеры пор 500–20000 А, рабочее давление от 0,01 до 0,2 МПа) используется для отделения некоторых вирусов и бактерий, тонкодисперсных пигментов, пыли активных углей, асбеста, красителей, разделения водо-масляных эмульсий и т. п.
Основные достоинства мембранных методов очистки — низкая энергоемкость, высокая степень очистки, возможность удаления большой группы примесей, относительная простота аппаратурного оформления. Основной элемент рассматриваемых устройств — разделительные мембраны (фильтры), их свойства и качество, которые определяют эффективность всего процесса. В настоящее время в процессах ультра-, микро- и гиперфильтрации используют в основном мембраны целлюлозного типа. Этим мембранам присущи серьезные недостатки: низкая химическая устойчивость, и относительно низкая удельная производительность.
Разработанные на основе пространственно-глобулярной структурных полимеров фильтры во многом лишены указанных недостатков. В них высокие разделительные свойства, высокая удельная производительность и химическая стойкость сочетаются с простотой синтеза, доступностью и дешевизной исходных материалов.
Иониты образуют большой класс фильтрующих ионообменных материалов. Применяются для умягчения, деминерализации, обескремнивания воды, выделения из водных растворов отдельных веществ и т. п. Иониты — твердые, практически нерастворимые полиэлектролиты, природные, искусственные или синтетические.
Синтетические иониты на органической основе — высокомолекулярные соединения, молекулы которых содержат ионогенные группы, способные к диссоциации и обмену подвижных ионов на другие ионы, содержащиеся в растворе.
Процесс ионного обмена приближенно можно представить в виде составляющих: перенос ионов раствора к поверхности гранулы ионита;
– диффузия ионов внутри гранулы;
– протекание реакции ионного обмена;
– диффузия вытесняемого из гранулы противо-иона изнутри к поверхности гранулы;
– перенос противоиона от поверхности гранулы ионита в объем раствора.
Для решения проблемы получения питьевой воды, отвечающей требованиям, синтезированы принципиально новые полимерные материалы, обладающие уникальными свойствами. Это полимеры пространственно-глобулярной структуры (ПГС-полимеры) характеризуются узким распределением пор по размерам 10 % и высокой химической активностью и стойкостью, а также обладают высокой механической прочностью. ПГС-полимеры по эффективности и механизмам очистки заменяют все ранее известные фильтрующие материалы. Это «ситовый» эффект, позволяющий задерживать механические примеси и крупные включения, зарядная фильтрация — интенсифицирует процесс очистки за счет действия электростатических сил, когда загрязнители, обладающие отрицательным зарядом (кроме Fe и Al), взаимодействуют с положительными или отрицательными зарядами микроглобул ПГС-полимеров (в зависимости от типа фильтроэлемента), ионообмен и сорбция, позволяющие связывать поливалентные катионы, к которым относятся катионы цветных и тяжелых металлов, и коалесценция, позволяющая нейтрализовать электрический заряд, присущий всем загрязнителям, и во много раз интенсифицировать процесс осаждения частиц. Такая комбинация механизмов очистки воды в одном устройстве позволяет создать эффективные компактные очистители малых габаритов и с низкими эксплуатационными показателями.
Технология получения изделий из ПГС-полимеров существенно отличается от технологии получения обычных известных полимеров. В реакторе готовят реакционную смесь, где основным по массе компонентом является растворитель, а затем в специальных формах протекает формирование изделий глобулярной структуры в режиме спонтанного глобулообразования. Сырьем для ПГС-полимеров служат обычно используемые мономеры: фенолы, амины, альдегиды и. т.д.
Наиболее эффективно применение ПГС-полимеров в качестве материалов технологического назначения в таких процессах как ионный обмен, сорбция, фильтрация, микро-, ультра- и гиперфильтрация, коалесценция, диспергирование. Пространственно-глобулярные фильтры с порами от 0,01 до 20мкм работают при скоростях пропускания 800–3000 уд.об/ч в режимах фильтрации ионного обмена.
Эффективность работы ПГС-ионитов в 100 и более раз выше, чем обычных зерненных ионитов. При этом содержание твердых частиц в очищенной жидкости не превышает 0,2 мг/
ПГС-полимеры представляют собой или объемные изделия: листы, ленты, трубы, стержни, блоки различной конфигурации кубических объемом до нескольких десятков сантиметров. Заданная структура достигается процессе полимеризации или поликонденсации исходной гомогенной смеси веществ с специальных условиях под влиянием физико-химических коллоидно-химических факторов. В итоге образуется полимерный материал, состоящий из микроглобул заданного размера, соединенных между собой в точках контакта.
Пористость можно варьировать в пределах 35–90 %, а размеры пор задавать в диапазоне 0,01–20 мкм. Технологией процесса обеспечивается отклонение размера пор от заданного номинала не более ±10 %.
Площадь внутренней поверхности ПГС-фильтров достигает 150
На сегодняшний день успешно применяется и освоен выпуск 10 типов ПГС-полимеров, которые обладают однотипной структурой и пористостью, но отличаются наличием характерных функциональных группировок (ионообменные, электроннообменные, комплексообразующие, коалесцентные), которые придают ПГС-полимерам определенные свойства.
Конструктивное исполнение фильтроэлементов позволяет изготавливать компактные фильтрационные установки, производительность которых определяется количеством размещенных в них ФЭЛ. В зависимости от назначения и особенностей эксплуатации установки очистки воды на базе картриджных ФЭЛ из ПГС-полимеров комплектуются корпусами, выполненными из нержавеющей стали или пищевой пластмассы.
Освоен выпуск фильтрационных установок (патронных фильтров ФП) следующих типов и производительностей:
– ФУ производительностью 0,25
– ФУ производительностью 0,3
– ФУ производительностью 0,5
– ФУ производительностью 1,2
– ФУ производительностью 15,0
– Фильтрационные установки производительностью свыше 1,2
– Фильтрационные установки производительностью свыше 15,0
Таблица 1
|
Тип установки |
ФП-1 |
ФП-2 |
ФП-3 |
ФП-4 |
ФП-5 |
ФП-6 |
|
Количество фильтрующих элементов, шт. |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
Производительность,
|
0,3 |
0,6 |
0,9 |
1,2 |
1,5 |
1,8 |
|
Поверхность фильтрации,
|
0,05 |
0,10 |
0,15 |
0,20 |
0,25 |
0,30 |
|
Режим работы |
непрерывный, циклический |
|||||
|
Продолжительность регенерации, мин., не более |
8–10 |
|||||
|
Рабочее давление исходной среды, МПа, не более |
0,3 |
|||||
|
Температура исходной среды, град. С, не более |
100 |
|||||
Выводы:
Решение проблемы доброкачественной питьевой водой — может быть достигнуто путем использования специальных видов ПГС-полимеров. Широкий набор ПГС-полимеров различной геометрической формы и размеров, химического состава, параметров пористой структуры, сорбционных и ионообменных свойств позволяет создать на их основе весь потребный спектр проблем очистных устройств, необходимых для решения обеспечения населения доброкачественной питьевой водой в практически любых условиях.
Перспективность применения ПГС-фильтров: простая технология производства; возможность переработки больших объемов растворов при сохранении высокой селективности процесса;
Литература:
- Елизарова Т. В., Михайлова Л. А. Гигиена питьевой воды, учебное пособие, Чита, 2007.- 4с.
- Беликова С. Е. Библиотека Акватерм Водоподготовка, 2007
- Nino Zinna Методы фильтрации воды в системах водоподготовки — библиотека научных статей, из журнала RCI № 4/2005 https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=2975
- Материалы четвертого Международного конгресса и технической выставки «Вода: экология и технология» «ЭКВАТЕК — 2000» (29 мая — 2 июня 2000 г.).-М., 2000.
- Луков А. Н., Горбачев Е. А., Дементьев В. Н. Метод определения оптимальной технологии на водопроводной станции с помощью функций Кобба -Дугласа. //Городское хозяйство и экология. 2000. -№ 2. — С. 43–48.
- СанПиН 2.1.4.10749–01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды
- Елизарова, Т. В. Гигиена питьевой воды: уч. пособие / Т. В. Елизарова, А. А. Михайлова. — Чита: ЧГМА, 2014. — 63 с.
