Формирование хемосорбционного слоя фильтрующей загрузки

стр. 274 из 278
1. Лурье Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. М: Химия, 1984.
448 с.
2. Николадзе Г.И., Сомов М.А. Водоснабжение. М: Стройиздат, 1995. 688 с.
3. Николадзе Г.И. Улучшение качества подземных вод. М: Стройиздат, 1987. 240с.
УДК 628.161.1/546.72
ФОРМИРОВАНИЕ ХЕМОСОРБЦИОННОГО СЛОЯ ФИЛЬТРУЮЩЕЙ ЗАГРУЗКИ
МЕДЛЕННОГО САМООЧИЩАЮЩЕГОСЯ ФИЛЬТРА ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЯ
Юровский Александр Викторович, соискатель,
Лукашева Галина Николаевна, кандидат химических наук, доцент,
alex_1983@hotbox.ru,
ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», г. Москва
On the basis of the experimental data received at laboratory researches of the slow selfcleared filter of deironing, specific speed of formation of a chemisorption layer of filtering
стр. 275 из 278
loading is calculated. The authors considered the ideas about about the chemical chemisorption
nature of a layer and mechanisms of oxidation and chemisorption pollution. Dependence of
speed of formation of a chemisorption layer from duration of a filtration cycle is received.
На основании экспериментальных данных, полученных при лабораторных испытаниях
медленного
самоочищающегося
фильтра
обезжелезивания,
рассчитана
удельная
скорость формирования хемосорбционного слоя фильтрующей загрузки. Рассмотрены,
имеющиеся в литературе, представления о химической природе хемосорбционного слоя и
механизмах окисления и хемосорбции загрязнений. Получена зависимость
скорости
формирования хемосорбционного слоя от продолжительности фильтрационного цикла.
Key words: The filtering, the self-cleared filter, chemisorption layer, clearing of iron
connections
Ключевые слова: фильтрование, самоочищающийся фильтр, хемосорбционный слой,
очистка от соединений железа
Медленный самоочищающийся фильтр предназначен для очистки природных вод
от соединений железа. Фильтрующая загрузка фильтра, Birm Regular, - каталитический
материал, используемый
для насыпных фильтров. Он действует как катализатор на
железо и на марганец, вызывая
окисление Fe2+ растворенным в фильтруемой воде
кислородом.
Сформировавшийся в процессе фильтрования воды, содержащей соединения Fe 2+
и Fe
3+
, слой пленки из гидроксида железа (III) на поверхности фильтрующей загрузки,
является
эффективным фильтрующим материалом. На нем происходит хемосорбция
соединений железа (II) и (III) из объема раствора. Эффективность сформировавшейся
пленки также объясняется каталитической активностью свежеосажденного Fe3+ в
процессе окисления Fe
2+
в Fe
3+
. Поэтому процесс фильтрования характеризуется
высоким эффектом обезжелезивания и замедленным темпом прироста потерь напора, что
способствует увеличению продолжительности фильтроцикла. С течением времени, под
действием веса фильтруемой воды, гель уплотняется, теряя некоторую часть жидкости,
входящей в его структуру, - стареет.
Процессы гидролиза и образования гидрогелей соединениями железа (III) имеют
свои специфические особенности. Механизм формирования адсорбционной пленки на
поверхности зерен фильтрующей загрузки можно представить следующим образом [1]. В
стр. 276 из 278
Растворах, содержащих
ионы Fe2+ и Fe3+ в результате
гидролиза солей образуются
гидроксиды железа (II) и (III). Гидроксид железа (II) под действием кислорода частично
окисляется до гидроксида железа (III). Высокодисперсные положительно заряженные
коллоидные частицы гидрозоля железа (III) адсорбируютcя на отрицательно заряженной
поверхности зерен фильтрующей загрузки. В объеме раствора происходит коагуляция
коллоида. Осевшие частицы гидрозоля постепенно агломерируются и покрывают всю
поверхность загрузки. По мере фильтрования новых порций воды, окислению
подвергается все железо, находящееся на поверхности загрузки и способное к окислению.
Рентгенографические исследования [2] показали, что поверхностная, активная
пленка состоит из следующих гидратированных форм Fe3+: α − FeOOH , γ − FeOOH ,
β − FeOOH , δ − FeOOH . При этом в ее составе содержится максимальное количество
β − Fe 2 O 3 ⋅ H 2 O ,
β − HFeO 2 ,
β − FeOOH ,
несколько меньше α − Fe 2 O 3 ⋅ nH 2 O
и
α − FeOOH , а уже затем идут другие формы железа. Возникающая на поверхности зерен
загрузки молекулярная структура довольно устойчива.
На
основании
экспериментальных
данных,
полученных
при
испытании
медленного самоочищающегося фильтра обезжелезивания воды, [3] проведен расчет
скорости формирования хемосорбционного слоя на поверхности загрузки.
Удельную скорость формирования фильтрационного слоя для каждого периода
цикла определяли по формуле:
vзадер.i = m задер.i / (ti * Sф),
(1)
где m задер.i – масса задержанных загрязнений в «i» момент времени; ti – i-время; Sф –
площадь сечения фильтра = 0,238 м2. Результаты расчета представлены в таблице 1.
Массу адсорбционной пленки (m
ф.сл.лок.),
сформированной за период, определяем
по массовому балансу, используя концентрации C
Fe2+
в модельном растворе, C
Fe3+
в
фильтрате и объем фильтрата - Vлок.
mф.сл.лок. = K*C Fe2+ * Vлок. – C Fe3 * Vлок. ,
(2)
где К = MFe(OH)3 / MFe(OH)2 = 1,19. М – молярная масса гидроксидов.
Полученные результаты показали, что для медленного самоочищающегося фильтра
скорость формирования хемосорбционного слоя во времени уменьшается от 1,125
мг/мин.м2 , в начале фильтрационного цикла, до 0,755 мг/мин.м2 в конце цикла перед
регенерацией фильтра (графа 9,таблицы 1).
стр. 277 из 278
Расчет скорости формирования фильтрационного слоя.
Таблица 1
Фильтрационный цикл 2. СFe3+ в модельном растворе 16,0 мг/л. Sфильтра – 0,238 м2
№
э
т
1
2
3
4
5
6
7
8
t
t,
общ., лок.,
мин. мин.
20
45
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
345
360
375
390
405
420
450
480
510
540
570
20
25
15
30
30
30
30
30
30
30
30
30
15
15
15
15
15
15
30
30
30
30
30
Vi,
лок.,
л
СFe3+
фильт.
мг/л
mi(Fe3+)
в фильт.
мг
mi(Fe3+)
в мод.
р-ре, мг
0,27
0,38
0,32
0,37
0,37
0,39
0,42
0,9
0,9
0,9
0,9
0,1
0,1
0,2
0,243
0,342
0,288
0,333
0,037
0,039
0,084
5,141
7,235
6,093
7,045
7,045
7,426
7,997
0,47
0,44
0,40
0,43
0,42
0,25
0,22
0,21
0,19
0,19
0,19
0,44
0,38
0,35
0,34
0,33
0,6
0,5
0,5
0,5
0,2
0,7
0,5
0,5
0,3
0,3
0,2
0,5
0,5
0,4
0,3
0,3
0,282
0,220
0,200
0,215
0,084
0,175
0,110
0,105
0,057
0,057
0,038
0,22
0,19
0,14
0,102
0,099
8,949
8,378
7,616
8,187
7,997
4,760
4,189
3,998
3,618
3,618
3,618
8,378
7,235
6,664
6,474
6,283
600
630
660
690
30
30
30
30
0,39
0,36
0,33
0,34
0,5
0,4
0,4
0,3
0,195
0,144
0,132
0,102
7,426
6,854
6,283
6,474
720
750
780
810
30
30
30
30
0,37
0,35
0,34
0,34
0,4
0,3
0,3
0,2
0,148
0,105
0,102
0,068
7,045
6,664
6,474
6,474
840
870
900
930
960
990
1025
30
30
30
30
30
30
30
0,40
0,30
0,28
0,25
0,31
0,27
0,327
0,9
0,5
0,3
0,2
0,3
0,2
0,2
0,36
0,15
0,084
0,05
0,093
0,054
0,065
7,616
5,712
5,331
4,760
5,902
5,141
6,226
v,
mлок.(Fe3+)
задер. на
форм.ф.сл.,
фильтре, мг мг/мин*м2
4,898
6,893
5,805
6,712
7,008
7,387
7,913
1,029
1,158
1,626
0,94
0,982
1,034
1,108
∑=46,616
vср.=1,125
8,667
8,158
7,416
7,972
7,913
1,214
1,142
1,038
1,116
1,108
∑=40,126
vср.=1,124
4,585
4,079
3,893
3,561
3,561
3,580
1,248
1,142
1,090
0,997
0,997
1,003
∑=23,259
vср.=1,086
8,158
7,045
6,524
6,372
6,184
1,142
0,987
0,914
0,892
0,866
∑=34,283
vср.=0,960
7,231
6,710
6,151
6,372
1,013
0,940
0,861
0,892
∑=26,464
vср.=0,926
6,897
6,559
6,372
6,406
0,966
0,917
0,892
0,897
∑=26,234
vср.=0,918
7,256
5,562
5,247
4,710
1,016
0,779
0,735
0,660
∑=22,275
vср.=0,798
5,809
5,087
6,161
0,814
0,712
0,740
∑=17,057
vср.=0,755
mi тек
(Fe3+),
мг
4,898
11,791
17,596
24,308
31,316
38,703
46,616
55,283
63,441
70,857
78,829
86,742
91,327
95,406
99,299
102,860
106,642
110,001
118,159
125,204
131,728
138,100
144,284
151,515
158,225
164,376
170,728
177,645
184,204
190,576
196,982
204,238
209,800
215,047
219,757
225,566
230,663
236,814
стр. 278 из 278
Рис. 1. Зависимость концентрации Fe3+ в фильтрате от локальной массы Fe(OH)3
Эффективность очистки фильтруемой воды с концентрацией Fe2+ - 16 мг/л в модельном
растворе такова, что после 20 минут работы фильтра средняя концентрация Fe3+ в фильтрате
составляет – 0,9 мг/л, а в конце фильтрационного цикла, на 960 минуте – 0.3 мг/л (графы 2 и 5
таблицы 1).
По графической зависимости концентрации Fe3+ от массы свежеосажденного Fe(OH)3,
представленной на рисунке 1, была установлена минимальная удельная масса хемосорбционной
пленки, необходимая для тонкой очистки от соединений железа (от 0,9 мг/л до ПДК - 0,3 мг/л).
Она составляет 92 мг/м2. В действительности же, в процессе очистки, задействован весь
сформированный поверхностный слой. Однако вклад состарившегося и свежеосажденного
гелей различен, что также прослеживается на рисунке 1 при сравнении
результатов по
обезжелезиванию, полученных на различных этапах фильтрационного цикла.
Литература
1. Бабенков Е.Д. Очистка воды коагулянтами. М: Наука, 1977. 356 с.
2. Николадзе Г.И.. Улучшение качества подземных вод. М: Стройиздат, 1987. 240с.
3. Юровский А.В., Лукашева Г.Н. Исследование эффективности работы медленного
самоочищающегося
фильтра
//
Материалы
всероссийской
научной
аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы туризма и сервиса».
М: ФГОУВПО «РГУТиС», 2010.
конференции