Формирование хемосорбционного слоя фильтрующей загрузки медленного самоочищающегося фильтра обезжелезивания

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

ФОРМИРОВАНИЕ ХЕМОСОРБЦИОННОГО СЛОЯ ФИЛЬТРУЮЩЕЙ ЗАГРУЗКИ МЕДЛЕННОГО САМООЧИЩАЮЩЕГОСЯ ФИЛЬТРА ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЯ

Юровский Александр Викторович, соискатель,

Лукашева Галина Николаевна, кандидат химических наук, доцент,

ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», г. Москва

On the basis of the experimental data received at laboratory researches of the slow self-cleared filter of deironing, specific speed of formation of a chemisorption layer of filtering 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

окисление железо хемосорбция загрязнение фильтр

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

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⁺: , , , . При этом в ее составе содержится максимальное количество , , , несколько меньше и , 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:

v_задер.i = m _задер.i / (t_i * S_ф), (1)

где m _задер.i - масса задержанных загрязнений в «i» момент времени; t_i - i-время; S_ф - 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 - V_лок.

m_{ф.сл.лок.} = K*C _Fe2+ * V_лок. - C _Fe3 * V_лок. , (2)

где К = M_Fe(OH)3 / M_Fe(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).

Расчет скорости формирования фильтрационного слоя.

Таблица 1 Фильтрационный цикл 2. С_Fe3+ в модельном растворе 16,0 мг/л. S_{фильтра} - 0,238 м²

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 конференции аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы туризма и сервиса». М: ФГОУВПО «РГУТиС», 2010.

Размещено на Allbest.ru