2. Гейзер-М. Подключается к водопроводному крану диаметром от 15 до 20 мм. Комплектуется сменным ионообменным картриджем с размерами пор от 0,5 до 1,5 мкм. В качестве фильтрующего материала используется “Арагон”. Сочетает принцип действия угольного фильтра, ионообменной смолы и седиментационного фильтра. На первой стадии происходит удаление из воды грязи и ржавчины. 2 стадия – химическим связыванием удаляются соли тяжелых металлов. 3 стадия – микробиологическая очистка. Производительность до 0,5л/мин. Ресурс до 3000 литров. Эффективность очистки: хлор-96%, нефтепродукты – 92%, тяжелые металлы – 99 %, железо – 99 %, взвешенные примеси – 99 %.
3. Родник-3 М. Фильтр состоит из корпуса и крышки. В корпус вставлен патрон с сорбентом. На патрубок патрона надевается шланг с насадкой. Принцип работы данного фильтра основан на применении высококачественного угольного фильтра, часть которого насыщена серебром. Производительность 0,5 л/мин. Ресурс до 3600 л.
4. Установка “Изумруд -C”. Производительность - 50 литров в час; питание от электрической сети - 220 В, 50 Гц; потребляемая мощность - 30 Вт; ресурс - 1 миллион литров; Регенерируемость - необходима промывка от 2 раз в месяц до 2 раз в год (в зависимости от степени загрязнения воды неорганические отложения на катоде удаляются промыванием установки 10-процентной уксусной или 5-процентной соляной кислотой). Принцип работы основан на применении диафрагменных электрохимического и каталитического реакторов с вихревой реакционной камерой.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Присоединить напорный шланг гидросистемы к крану системы водопровода холодной воды (магистрали водопровода), а сливной шланг подключается к системе канализации помещения. Установить стаканы для отбора проб воды под выходные гибкие трубки фильтров и очистительной установки. Поставить под гибкую трубку пятого свободного отводного канала стакан. Открыть полностью шаровой кран на этом канале. Постепенно открывая водопроводный кран, установить расход воды 0,5 л/мин. Расход воды определяется следующим образом: с помощью секундомера засечь время, за которое в стакан вытечет 200 мл. Время заполнения стакана должно быть 24 секунды. Положить конец гибкой трубки этого канала в сливную раковину. Произвести отбор 150 мл неочищенной водопроводной воды в стакан. Полностью открыть шаровой кран на отводном канале, соединенном с каким-либо устройством очистки (например, фильтром “Аквафор B300”), закрыть кран на свободном канале и произвести отбор 150 мл очищенной воды в стакан. Закрыть кран на канале с фильтром и открыть кран на свободном канале. Провести измерение содержания примесей сначала в пробе очищенной воды, а затем в пробе неочищенной воды в соответствии с методикой количественного анализа и тестовым методами, изложенными в методических указаниях “Определение физико-химических показателей воды” [5].
Оценить эффективность очистки по формуле
, (8)
где Сn - концентрация растворенных примесей в неочищенной воде, мг/л;
Сk - концентрация растворенных примесей в очищенной воде, мг/л;
η – эффективность очистки, %.
Результаты эксперимента внести в таблицу 1.
Таблица 1. - Анализ эффективности очистки воды
Наименование
очистителя
Наиме-
Нование
примеси
Концентрация примеси, мг/л
Эффективность очистки, η, %
Количест-
венный метод
Тестовый метод
до очистки
после очистки
до
очистки
После
очистки
Фильтр
Установка
“Изумруд-С”
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Цель работы.
Схемы лабораторной установки и установки “Изумруд-С”.
Таблицы с результатами эксперимента.
Выводы об эффективности очистки воды различными методами и соответствии отдельных показателей качества очищаемой воды предъявляемым требованиям (Приложение 1).
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
1. Запрещается приступать к работе до получения инструктажа по технике безопасности.
2. Работу проводить в присутствии преподавателя или лаборанта.
3. Выполнение работы связано с использованием электрических приборов и требует соблюдения правил электробезопасности.
4. В работе используются лабораторная посуда и химические реактивы, поэтому необходимо соблюдать соответствующие правила техники безопасности.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Расскажите об устройствах для доочистки питьевой воды?
Какие типы фильтров применяются для доочистки питьевой воды?
Какие фильтры используют для очистки от механических примесей?
Объясните принцип действия фильтров – обезжелезивателей.
Перечислите достоинства и недостатки фильтров из активированного угля.
На чем основан принцип действия электрохимических устройств на примере установки “Изумруд”? Объясните технологический процесс очистки в установке “Изумруд-С”.
Перечислите виды адсорбции. Какими свойствами должны обладать сорбенты?
Объясните процесс протекания адсорбции.
Напишите уравнение Ленгмюра для изотермы адсорбции.
Что такое адсорбционная емкость?
Какими методами осуществляется адсорбционная очистка воды? Опишите их.
Как определить длительность работы адсорбционного фильтра? Что такое “работающий слой” адсорбента?
Какая величина характеризует процесс динамической сорбции?
В каких случаях применяют ионообменные методы очистки воды?
Дайте определение ионита, катионита, анионита.
Что такое селективность поглощения?
Какие стадии включает процесс переноса вещества при ионном обмене?
Напишите ионообменные реакции катионитов в Н- форме и Na – форме.
Как осуществляется регенерация катионитов и анионитов?
Что такое обменная емкость ионита? Перечислите её виды. Какими методами можно ее определить?
Какие реакции происходят при анодной очистке воды?
Приведите примеры реакций катодного восстановления
Какие материалы используются в качестве электродов? От чего зависит выбор катодного и анодного материалов?
Опишите схему лабораторной установки. Как проводится отбор проб для анализа?
Как определяется эффективность очистки воды?
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Стенд лабораторный “Методы очистки воды БЖ 8м”/Паспорт БЖ 8 м ПС, 2003.
В.И. Калицун, Ю.М. Ласков, Ю.В. Воронов, Е.В. Алексеев. Лабораторный практикум по водоотведению и очистке сточных вод. М.: Стройиздат, 2001. -263с.
В.А. Проскуряков, Л.И. Шмидт. Очистка сточных вод в химической промышленности. Л.: Химия, 1977. - 463с.
Г.С. Соловьев, А.И. Родионов. Электрохимическая очистка сточных вод. М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1982. 46с.
Электрохимические реакторы установок "Изумруд" состоят из проточных модульных электролитических элементов (элементов ПЭМ-3). Элемент ПЭМ-3 (рис. 2) представляет собой миниатюрный диафрагменный электролизер с вертикально установленными цилиндрическими электродами: внешним 1 и внутренним 2, между которыми размещена тонкостенная трубчатая пористая керамическая диафрагма 3, разделяющая межэлектродное пространство на две электродные камеры - анодную и катодную. Электроды 1, 2 и диафрагма 3 закреплены взаимно неподвижно, герметично и строго коаксиально при помощи втулок 4 и 5 из диэлектрического материала и эластичных уплотнительных колец 6 и 7. Каждая втулка снабжена штуцером для гидравлического сообщения с соответствующей электродной камерой: посредством штуцеров на наружных втулках обеспечивается проток воды через камеру внутреннего электрода, проток через камеру внешнего электрода обеспечивается при помощи штуцеров на внутренних втулках. Входные штуцеры электродных камер находятся в нижней части вертикально установленного элемента ПЭМ-3, выходные - в верхней его части. Межэлектродное расстояние (МЭР) в элементе ПЭМ-3 равно 3 мм, хотя допустимыми являются значения в пределах 2,8 - 3,3 мм. При таких значениях МЭР анодная и катодная области интенсивного конвективного, диффузионного и электромиграционного перемешивания воды под действием тока, протекающего между электродами, соприкасаются (если отсутствует диафрагма), что обусловливает значительное уменьшение омического сопротивления электрохимической системы в случае повышения плотности тока.
Диафрагма элемента ПЭМ-3 выполнена из керамики с использованием оксидов циркония, алюминия и иттрия, и может содержать добавки оксидов лантана, ниобия, тантала, титана, гадолиния, гафния и др. Диафрагма обладает высокой устойчивостью к действию концентрированных и разбавленных водных растворов кислот, щелочей, окислителей, восстановителей, агрессивных газов (хлора, диоксида хлора, кислорода, озона), не чувствительна к ионам тяжелых металлов, органическим веществам. При загрязнении нефтепродуктами, гидроксидами металлов диафрагма допускает многократную очистку растворами детергентов, концентрированной или разбавленной хлористоводородной кислотой с полным восстановлением свойств после удаления загрязнений.
Установки "Изумруд" не подвергаются вторичному инфицированию микрофлорой. Однако электрохимические водоочистители не предназначены для работы с деминерализованной или мутной водой.
Третья группа включает наиболее сложные устройства, основанные на принципе обратного осмоса. Такая установка обычно состоит из предварительного осадочного фильтра с размером пор около 20 мкм, предварительного фильтра из активированного угля и тонкопленочной композитной мембраны, обеспечивающей очень высокую степень очистки воды. На этой стадии удаляется примерно 90-95% всех примесей, а для финишной очистки устанавливается еще один элемент с активированным углем для удаления оставшихся органических веществ, неприятного запаха и вкуса.
В наиболее сложных установках число фильтрующих узлов достигает 6, кроме того, они снабжаются специальным насосом для поддержания давления воды. Для микробиологической очистки воды используют ультрафиолетовые лампы. Обычно такие установки имеют емкость для сбора очищенной воды.
Далее рассмотрим теоретические основы процессов, на которых основана работа изучаемых фильтров для доочистки питьевой воды.
АДСОРБЦИОННЫЕ МЕТОДЫ
Очистка воды методом адсорбции основана на извлечении из нее растворенных веществ поверхностью твердых тел- сорбентов. Адсорбция позволяет очищать воду от многих видов органических веществ при их малой концентрации. Эффективность адсорбционной очистки достигает 90-99% и зависит как от природы и величины удельной поверхности сорбента, так и состава и структуры извлекаемых веществ, присутствия в воде электролитов.
В зависимости от характера взаимодействия сорбента с растворенным в воде веществом (адсорбатом) различают: физическую адсорбцию, активированную адсорбцию и хемосорбцию. Физическая адсорбция протекает под действием сил межмолекулярного взаимодействия Ван-дер-Ваальса, не избирательна, обратима, отличается высокой скоростью и сравнительно низкой удельной теплотой адсорбции. Активированная адсорбция характеризуется тем, что молекулы адсорбата в процессе сорбции необратимо включаются в кристаллическую решетку сорбента. Такая адсорбция избирательна, протекает медленно, однако её скорость заметно возрастает при повышении температуры. Активированная адсорбция отличается высокими значениями удельной теплоты процесса. При хемосорбции протекает обычная химическая реакция на поверхности адсорбента, а количество выделяющейся теплоты эквивалентно теплоте химической реакции.
В качестве сорбента могут использоваться различные мелкодисперсные твердые вещества, обладающие значительной удельной поверхностью. Для адсорбции органических веществ из водных растворов, прежде всего, применяются активные угли, синтетические сорбенты. Полярные гидрофильные материалы: глина, силикагели, цеолиты – для адсорбции органических веществ из воды мало пригодны, так как энергия взаимодействия этих сорбентов с молекулами воды близка или превышает энергию адсорбции молекул органических веществ.
Процесс адсорбции складывается из трех стадий: перенос вещества из раствора к поверхности зёрен сорбента (внешнедиффузионная область), собственно адсорбционный процесс, перенос вещества внутри зёрен (внутридиффузионная область). В большинстве случаев скорость собственно адсорбции велика и не лимитирует процесс. Общая скорость адсорбции определяется скоростью подвода вещества к поверхности сорбента в результате внешней и (или) внутренней диффузии молекул.
Одним из основных критериев оценки адсорбционных свойств сорбента является изотерма адсорбции, определяющая зависимость активности адсорбента (Г) от концентрации растворенного вещества (адсорбата) в условиях равновесия при постоянной температуре. Для описания изотермы адсорбции наибольшее применение получили уравнения Ленгмюра
, (1)
где Гmax – предельная адсорбция, k1 – константа равновесия,
с – равновесная концентрация вещества в воде,
и Фрейндлиха
, (2)
где β и μ – эмпирические константы.
В случае разбавленных растворов уравнения Ленгмюра принимают вид, тождественный уравнению Генри, которому подчиняется распределение вещества между двумя фазами
, (3)
Таким образом, при малых концентрациях масса адсорбируемого вещества прямо пропорциональна его равновесной концентрации в растворе. Вещества, хорошо адсорбируемые из водных растворов активными углями, имеют выпуклую изотерму адсорбции, а плохо адсорбируемые – вогнутую.
Адсорбция неэлектролитов (бензола, нитробензола, хлороформа и др.) не зависит от величины рН, так как при всех её значениях количество недиссоциированных молекул постоянно и равно общей минерализации веществ. На адсорбцию слабых электролитов реакция среды оказывает заметное влияние. Наибольшее значение адсорбции наблюдается для оснований при рН = рК + 3, для кислот – при рН = рК-3 (где рН и рК – соответственно отрицательные логарифмы концентрации, точнее, активности водородных ионов, и константы диссоциации веществ).
Адсорбционная очистка воды осуществляется методами статической и динамической сорбции. В первом случае сорбент вводят в очищаемую воду в количестве, необходимом для достижения заданной концентрации адсорбата в воде, и поддерживают во взвешенном состоянии путем перемешивания в течение определенного времени, достаточного для установления равновесной концентрации.
Адсорбционная емкость сорбента Гi мг/мг в условиях статического режима работы определяется по формуле:
, (4)
где Гi – статическая адсорбционная ёмкость сорбента; соi – исходная концентрация адсорбента в растворе, мг/л; сi – равновесная концентрация адсорбата в растворе после сорбции, мг/л; Мс – масса навески сухого сорбента, мг; V – объем раствора, используемого в эксперименте, л; k - кратность разбавления раство
