Розділ 2
ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ОЧИСТКИ ВОДИ ВІД ІОНІВ ФТОРУ НА ФІЛЬТРАХ З МОДИФІКОВАНИМ
ЗАВАНТАЖЕННЯМ
2.1. Теоретичні підстави для застосування методу знефторювання підземної води
фільтруванням крізь природні цеоліти, модифіковані сполуками алюмінію
В основу розробки технології очистки води від іонів фтору покладено метод
фільтрування, яке здійснюється крізь завантаження, що має сорбційні властивості
до фторид-іонів. Видалення фтору при цьому відбувається або внаслідок аніонного
обміну гідроксидних або сульфат-іонів на іони фтору, або шляхом утворення
стійких комплексів алюмінію з фтором, які затримуються фільтруючим
завантаженням за рахунок розвиненої поверхні зерен і їх сорбційних
властивостей.
Як відомо, адсорбція – це зміна концентрації речовини на межі розділу фаз.
Адсорбція проходить на будь-яких міжфазових поверхнях, і адсорбуватися можуть
будь-які речовини. Адсорбційна рівновага, тобто рівноваговий розподіл речовини
між приграничним шаром і межуючими фазами, є динамічною рівновагою і швидко
встановлюється [45,49,97].
Під час адсорбції електролітів переважно адсорбуються або катіони, або аніони,
які замінюються на еквівалентну кількість іонів того ж знаку з адсорбенту.
Розчин залишається при цьому електронейтральним. Таким чином, адсорбція
електролітів відбувається шляхом еквівалентного обміну іонів однакового знаку,
а тому отримала назву іонообмінної адсорбції.
Сорбція з рідких розчинів значно складніша, ніж сорбція з паро-газової суміші,
оскільки включає в себе взаємодію сорбенту з сорбованою речовиною і розчинником
(водою); при цьому також слід враховувати взаємодію розчинника з сорбатом.
Тому, незважаючи на те, що сорбція з водних розчинів досліджується і
використовується майже 200 років, вона вивчена значно менше сорбції з
паро-газової фази. В основному механізм сорбції з розчинів в тому чи іншому
вигляді пояснюють уявленнями, виведеними для газової фази, лише доповнюючи чи
обмежуючи умовами, специфічними для рідкої фази. Звичайно, це відображається на
вигляді і точності моделей та розрахунків систем сорбційної очистки води.
Зазвичай для видалення фтору з води використовують сорбційні властивості
гідроксиду алюмінію, для чого у воду вводять відповідні солі. Найбільш
поширеними реагентами в практиці знефторювання природних вод є сульфат
алюмінію, хлорид алюмінію, алюмінат натрію та інші алюмінійвмісні сполуки. При
введенні у воду алюмінієвих коагулянтів одночасно з утворенням оксигідрату
алюмінію відбувається видалення фтору. Відомості про механізм сорбції фтору
гідроксидом алюмінію дуже різняться [12,23,36,96,110]. Найчастіше закріплення
фтору на поверхні оксигідрату алюмінію пояснюють утворенням малорозчинних
фторидів, хемосорбцією на пластівцях осаду у вигляді Al2O2F і
адсорбційно-обмінними реакціями [59,74]:
(Al2O2OH)Cl + F– (Al2O2F)OH + Cl–. (2.1)
При знефторюванні з використанням сірчанокислого алюмінію слід враховувати не
лише вміст фтору у вхідній воді, але й інші якісні показники: концентрацію
сульфатів, загальний солевміст, концентрацію алюмінію, лужність, стабільність.
При введенні великих доз коагулянту можливе перевищення гранично допустимих
концентрацій алюмінію та сульфатів у фільтраті; уповільнення гідролізу і
утворення пластівців внаслідок недостатньої лужності води; підвищення
агресивності і корозійної активності води в результаті підкислення солями
коагулянту (сірчанокислого алюмінію).
Дуже перспективним для видалення фтору з води є використання основних солей
алюмінію – гідрооксихлориду та гідрооксисульфату.
Технологія отримання основного сульфату алюмінію розроблена в Інституті
колоїдної хімії і хімії води АН України [1,98,99], також це питання вивчалося в
Національному технічному університеті КПІ [12,36,80]. Цей коагулянт являє собою
добре розчинну сіль складу:
Al2(OH)2n(SO4)3n, де 0
змінюватися в інтервалі 1,2 – 3.
Лабораторні дослідження промислових зразків коагулянтів – сульфату і основного
сульфату алюмінію з m = 2,7 – показали значну перевагу останнього
[12,20,37,81]. При однакових дозах коагулянтів показник розчинного алюмінію у
випадку основного сульфату алюмінію на 40 – 80% нижче ніж для сульфату
алюмінію. Крім того відзначено, що підвищення основності коагулянту призводить
до збільшення і покращення седиментаційних властивостей утворюваних пластівців.
Для пояснення вказаних закономірностей було досліджено вплив різних факторів на
електрокінетичний потенціал продуктів гідролізу основного сульфату алюмінію.
Відповідно до [12,20,36,56,98,99] – потенціал зростає від модуля 3 (сульфат
алюмінію) до модуля 1,97. Причому ці зміни суттєві: якщо – потенціал продуктів
гідролізу сульфату алюмінію складає 19 – 20мВ, то такий для основного сульфату
алюмінію з m = 1,97 при дозі коагулянту 5мг/дм3 по Al2O3 і концентрації
робочого розчину 1,5% дорівнює 33мВ.
При використанні коагулянту з одним і тим самим модулем збільшення
електрокінетичного потенціалу частинок можна досягти при зниженні концентрації
робочого розчину коагулянту. Зменшення концентрації робочого розчину до 0,5%
призводить до зростання – потенціалу. Відзначимо, що коагуляційна обробка води
меншими дозами коагулянту також призводить до підвищення – потенціалу частинок
продуктів гідролізу. Характерно, що при використанні сульфату алюмінію (m = 3)
зміни величини електрокінетичного потенціалу практично не відбувається.
Слід відзначити, що при обробці підземних вод солями алюмінію основним
недоліком є утворення надзвичайно легких пластівців гідроксиду алюмінію, які
- Київ+380960830922