Сорбционная очистка воды – это высокоэффективный метод глубокого очищения. При сорбции устраняются вредные химические соединения и примеси за счет того, что частицы связываются между собой из-за силы молекулярного взаимодействия. Уникальность сорбционной очистки воды состоит в том, что с помощью сорбционных материалов можно очистить воду от таких органических веществ, которые не удалялись с помощью других методов.

Благодаря очищению высокоактивными сорбентами обеспечивается выход воды с почти нулевыми остаточными концентрациями. Стоит также отметить, что высокоактивные сорбенты реагируют даже с теми веществами, которые содержатся в воде в малых концентрациях, когда остальные методы не работают. Кроме этого, существует ещё один вид сорбционной технологии: находясь в гетерогенной среде, происходит электрособция, если речь идет о воздействии внешних электрических полей.

С помощью сорбционной очистки воды устраняются различные запахи, привкусы хлорированных углеводородов и сероводорода. Сорбентами выступают пористые твердые материалы, эффективность которых определяется величиной поверхности взаимодействия. Сорбционной способностью материала называют емкость и определяют ее в зависимости от того, сколько загрязнителей, которые можно нейтрализовать с помощью данного количества сорбента.

В качестве сорбента чаще всего используют активированный уголь. Он особо эффективен за счет своей структуры: в нем присутствуют микропоры и субмикропоры, величина которых зависит от того, какой тип сырья выбран, а так же от процесса активации. В качестве основного сырья при получении активированного угля может быть: торф, древесина, скорлупа орехов и различные продукты животного происхождения. Если на активированный уголь нанести частицы иона серебра, то это предотвратит поражение сорбента различными микроорганизмами.

Обычно использование активированного угля происходит для удаления многих органических веществ, для водоподготовки перед системами обратного осмоса, при сорбционной очистке питьевая вода очень эффективно дехлорируется. Устранение хлора надо проводить не только, если используется многоступенчатая фильтрация питьевой воды, но и если речь идет о подготовке технической воды, которая используется для гигиенических целей.

Хотя хлор нашел свое широкое применение в качестве дезинфекции воды, но если хлор попадет в организм человека, это может пагубно воздействовать на жирные кислоты и нарушить обмен веществ. Поэтому лучше перестраховаться и дополнительно очистить воду от хлора с помощью сорбционной очистки воды.

Argel

Под сорбцией в общем случае понимают процессы поверхностного (адсорбция) и объемного (абсорбция) поглощения вещества на границе раздела двух фаз: твердой и жидкой, твердой и газообразной, жидкой и газообразной. Сорбционные процессы играют важную роль в современной технологии полупроводников и диэлектриков, поскольку позволяют разделять вещества с очень близкими физико-химическими свойствами (редкоземельные элементы, такие металлы, как цирконий и гафний, и т.д.).

Адсорбционная система состоит из адсорбента - вещества, на поверхности которого происходит поглощение, и адсорбата - вещества, молекулы которого поглощаются. По природе процессов различают физическую и химическую адсорбцию. При физической адсорбции молекулы адсорбата не вступают в химическое взаимодействие с адсорбентом и, таким образом, сохраняют свою индивидуальность на поверхности поглотителя; адсорбция в этом случае обусловлена действием сил Ван-дер-Ваальса. При химической адсорбции, или хемисорбции адсорбируемые молекулы вступают в химическую реакцию с адсорбентом с образованием на поверхности химических соединений. Обратный процесс - процесс удаления молекул с поверхности адсорбента называют десорбцией. Физическая адсорбция в отличие от хемисорбции обратима. Процесс десорбции также можно использовать как метод очистки. Адсорбция является избирательным процессом, т.е. на поверхности адсорбента адсорбируются только те вещества, которые понижают свободную энергию поверхностного слоя, или, другими словами, понижают поверхностное натяжение относительно окружающей среды. Таким образом, используя различную адсорбционную способность веществ, находящихся, например, в растворе, можно осуществить их разделение и очистку, поглотив одно из них адсорбентом и оставив другое в растворе. Количественной характеристикой адсорбционной системы является изотерма адсорбции. Она выражает связь между концентрацией вещества С в растворе и его количеством C s , адсорбированным единицей поверхности адсорбента при постоянной температуре в условиях адсорбционного равновесия. 1. Поверхность адсорбента имеет ограниченное число независимых адсорбционных мест, причем каждое место может адсорбировать только одну молекулу.

2. . МОС-гидридная эпитаксия полупроводников.

С помощью МОС-технологии может выращиваться большинство полупроводниковых соединений A 3 B 5 , A 2 B 6 и A 4 B 6 . В случае роста соединений A 3 B 5 вместо металлоорганических соединений элементов пятой группы могут использоваться гидриды соответствующих элементов. В этом случае принято использовать термин МОС-гидридная технология. Некоторые металлоорганические соединения: Ga(CH 3) 3 – триметилгаллий (ТМГ), Ga(C 2 H 5) 3 – триэтилгаллий (ТЭГ), In(CH 3) 3 – триметилиндий (ТМИ), In(C 2 H 5) 3 – триэтилиндий (ТЭИ), Al(CH 3) 3 – триметилалюминий (ТМА) (в общем виде – MR3, где M – металл, R 3 – (CH 3) или (C 2 H 5) – алкил). Гидриды: AsH 3 – арсин, PH 3 – фосфин.

Схематическое описание процессов при МОС-гидридной эпитаксии показано на рис. 2. Реакция происходит в газовом потоке при атмосферном или пониженном давлении в реакторе с холодными стенками. Газом-носителем обычно является водород. Отдельные стадии полной реакции имеют место уже в газовой фазе. Заключительные стадии и встраивание в решетку происходят на поверхности полупроводника. Типичные реакторы позволяют подключать несколько металлоорганических и гидридных источников, поэтому в едином ростовом цикле могут быть последовательно выращены чередующиеся слои разных материалов. Это дает возможность получать многослойные многокомпонентные эпитаксиальные структуры.

В технологическом процессе эпитаксии из металлоорганических соединений не участвуют травящие вещества, процесс роста при этом не является результатом конкуренции между осаждением и травлением, как в некоторых других методах эпитаксии из парогазовой фазы. Как следствие, обеспечиваются резкие границы между слоями, однородность растущих слоев по толщине и составу.

МОС-гидридная эпитаксия - самая простая из всех технологий получения эпитаксиальных слоев соединений A III B V из газовой фазы. Суммарной реакцией образования соединений является реакция типа

Ga(CH 3) 3 +AsH 3 →GaAs (тв) +3CH 4 ,

Выбор сорбентов . Ассортимент сорбентов для предварительной очистки воды, выпускаемых промышленностью, весьма разнообразен. Для очистки воды от органических веществ используют активированные угли, гелевые и макропористые аниониты и др. Активированные угли обладают замедленной кинетикой сорбции из растворов, что требует больших площадей фильтрации, плохой регенерируем остью с помощью реагентов (остаточная емкость после первой регенерации значительно меньше половины исходной), механической непрочностью, высокой зольностью.

Аниониты, особенно макропористые, свободны от многих перечисленных недостатков. Первичный выбор лучших из них проводят в статических условиях при контакте сорбентов с модельными растворами или с данной водой в течение часа.

После отбора лучших образцов (в данном случае ими оказались отечественные сорбенты полимеризационного типа АВ-171 и конденсационного типа ИА-1) проводят кинетические исследования. Их целью является определение характера стадии, лимитирующей процесс, нахождение коэффициентов диффузии и времени установления равновесия. Стадию, лимитирующую процесс, определяют по следующему признаку: если перемешивание раствора способствует ускорению сорбции, это свидетельствует о преимущественном влиянии внешней диффузии; прямое доказательство внутридиффузионного механизма дает опыт с «прерыванием». Если после перерыва возобновить сорбционный процесс и сорбционная активность твердой фазы возрастет, можно с уверенностью говорить о внутридиффузионном характере процесса.

Сорбция гумусовых веществ . Внутридиффузионная кинетика, по данным, лимитирует сорбцию гумусовых веществ, т. е. сорбционную предварительную очистку воды.

Анализ этого уравнения показывает, что потеря защитного действия, выраженная в линейных или объемных единицах сорбента, тем больше (а рабочий период колонки тем меньше), чем больше скорость потока, радиус зерен сорбента и заданная глубина очистки.

Из кинетических опытов определяют коэффициенты диффузии и время установления равновесия в системах ионит-раствор и строят изотермы сорбции. Изотермы сорбции гуминовых и фульвокислот анионитами ИА-1 и АВ-171 описываются уравнением Ленгмюра.

В работах сопоставлены результаты экспериментального определения сорбционнои емкости до проскока гумусовых веществ с сорбционной ёмкостью, рассчитанной по уравнениям; расхождения не превышают 10-15%. Изменяя скорость потока, глубину очистки, радиус зерна сорбента и сам сорбент, можно определить потерю времени защитного действия колонны для каждого варианта. В то же время следует помнить, что это возлагает очень большую ответственность на точность определения коэффициентов диффузии и равновесия в системах сорбент - раствор, дающих исходные данные для расчета динамики сорбции.

Итак, наилучшим сорбентом для предварительной очистки воды оказался макропористый анионит ИА-1, работающий в хлор-форме, при рН очищаемого раствора, равном 3,0-3,5. Что касается размера зерен, его выбор ограничен характером дренажной системы и желательной скоростью пропускания воды.

В природных водах присутствуют гуминовые и фульвокислоты. Первые сорбируются хуже, и их «проскок» практически лимитирует процесс очистки. Поэтому величину следует рассчитывать по содержанию в очищаемой воде гуминовых кислот. Если после коагуляционной очистки они отсутствуют, рабочий период сорбционной колонны рассчитывают по содержанию в воде фульвокислот.

То обстоятельство, что сорбция слабодиссоциирующих гуминовой и фульвокислот идет лучше в кислой среде и на анионите в солевой форме, указывает на неионообменный механизм поглощения этих веществ и подсказывает экономически и технологически выгодную схему предварительной очистки воды. Сорбционную колонну с ионитом ИА-1 следует устанавливать после катионита в Н-форме и следующего за ним декарбонизатора. Это освобождает от необходимости подкислять воду, так как она подкисляется самопроизвольно при катионировании. Таким образом, сорбционная колонна становится составной частью обессоливающей установки. При совмещении коагуляционной очистки с сорбционной вода на 80-85% освобождается от органических примесей. Дальнейшая, более глубокая очистка воды от органических примесей проводится на ионитах обессоливающей части установки.

Извлечение других органических веществ . Поверхностные и артезианские воды содержат органические вещества, относящиеся к различным классам соединений. Установлено, что такие вещества, как сахара, белковоподобные вещества, аминокислоты проходят через систему ионитовых колонн и попадают в глубокообессоленную воду. Причем их количество зависит от состава исходной воды и значительно превышает содержание минеральных примесей. Максимальное извлечение этих веществ из воды в ходе ее предварительной очистки сорбционным методом является необходимым.

В работе сопоставлена способность некоторых активированных углей и макропористых анионитов сорбировать различные аналитически определяемые органические соединения, растворенные в природных водах. Для этого через слой сорбента высотой 60 см со скоростью 7 м/ч пропускали по 100 объемов речных вод после их Н-катионирования, создающего наиболее благоприятные условия для сорбции.

Фульвокислоты извлекаются лучше смолами, чем углями, причем емкости ионообменников по фульвокислотам практически одинаковы. Но и в этом случае применение ионита ИА-1 целесообразнее, так как он регенерируется легче и с меньшими расходами реагентов.

Второй очень значительной группой соединений, которые, попадая в глубокообессоленную воду, могут влиять на ее удельное электрическое сопротивление, являются карбоновые кислоты. Для их сорбции наиболее пригодны уголь СКТ-ВТУ-2 и анионит АВ-171. Из этих двух сорбентов предпочтение, безусловно, следует отдать иониту, так как его емкость может быть восстановлена химическими реагентами. Для удаления простых и сложных аминокислот также следует применять анионит АВ-171.

Простые и сложные сахара, не влияющие на удельное электрическое сопротивление, обессоленной воды, в значительной степени сорбируются только углем БАУ. Поэтому при выборе сорбентов для очистки воды следует руководствоваться не только величиной их емкости и возможностью ее восстановления, но и необходимостью удаления из воды того или иного соединения.

Для ориентировочной оценки распределения органических веществ в слоях указанных сорбентов были сняты соответствующие выходные кривые. Загрузка ионитов в хлор-форме равнялась 1 л при высоте слоя 60 см; скорость протекания раствора 10 м/ч.

Фильтрат для анализа отбирали непрерывно фракциями по 10 л каждая. Продолжительность рабочего периода колонны выбрана равной 200 приведенным объемам; рН пропускаемой воды создавали предварительным катионироваиием исходной воды. Применяя различные сорбенты и их сочетания, можно удалить значительную часть органических веществ, растворенных в воде. Однако получить воду, полностью освобожденную от органических веществ с помощью перечисленного набора средств, вряд ли возможно.

Содержание и соотношение таких органических неэлектролитов, как сахара, белки, эфиры и т. п., изменяются не только от одной географической зоны к другой, но и в пределах одного региона. Поэтому нельзя ожидать, что при одинаковых технологических схемах и режимах деминерализации обессоленные воды будут совпадать по количественному и качественному содержанию органических веществ. В связи с этим следует относиться с осторожностью к попыткам нормирования сухого остатка высокоомной воды без учета состава исходной.

Удаление железа (обезжелезивание) . Железистыми называют воды, содержащие более 1 мг/л железа. Катионит сорбирует ионы двухвалентного железа примерно так же, как и ионы кальция, а ионы трехвалентного железа - еще более эффективно. Можно было ожидать, что при ионообменном обессоливании вода будет одновременно и «обезжелезиваться». Этому процессу мешают, однако, некоторые физико-химические особенности соединении железа, присутствующих в природных водах.

В открытых водоемах, хорошо аэрируемых, значительная часть железа находится в виде соединений Fe разной степени гидролизованности.

При коагуляционной и последующей сорбционной очистках вода освобождается не только от окрашенных (главным образом, гумусовых соединений), но и от коллоидных и комплексных форм железа. Таким образом, очистка от органических веществ является одновременно актом обезжелезивания воды.

Предприятиям, потребляющим особо чистую обессоленную воду, рекомендуется всюду (где возможно) получать ее из подземных вод, свободных, как правило, от органических загрязнений. Известно, что более 25% всех водопроводов получают подземную воду с содержанием железа от 1 до 5 мг/л.

В подземных водах, лишенных кислорода, железо большей частью находится в форме раствора бикарбоната частично гидролизованного. Если бы это вещество поступало на катионит в неокисленном и негидролизованном виде или не окислялось бы в самом катионитовом фильтре, можно было бы ожидать практически полного обмена ионов железа на ионы водорода. Однако наряду с реакцией ионного обмена, скорость которой определяется диффузионными процессами, идут реакции гидролиза солей железа, окисления и перехода в слабодиссоциирующие и практически нерастворимые соединения, способные к образованию коллоидов. Совокупность таких процессов приводит к тому, что вода, содержащая, например, в равновесном состоянии 0,16 мг/л железа в ионной форме, может характеризоваться общим содержанием железа на уровне 2 мг/л. Катионит же поглотит только ионную форму железа и растворит с поглощением часть наименее стойких продуктов гидролиза.

Выделение ионов водорода при работе катионита могло бы сдерживать реакцию и даже сдвигать ее влево, тем более, что количество ионов водорода в Н-катионированной воде определяется общим содержанием солей, которое практически на два порядка больше количества ионов железа в воде.

По мере срабатывания верхних слоев катионита два обстоятельства будут способствовать сдвигу реакции вправо: наличие в слое ионов Fe(II), каталитически ускоряющих их превращение в ионы Fe(III), и частичное поглощение катионитом ионов водорода, обменивающихся на ионы натрия и кальция, которыми заполнен отработанный слой смолы. Образующиеся в этих условиях гидроксид Fe(III) и другие продукты гидролиза уже не будут участвовать в ионном обмене и транзитом пройдут в Н-катионированную воду, так же, как и та часть подобных соединений железа, которая присутствовала в исходной воде.

Количественное описание этих процессов пока затруднительно. В то же время присутствие железа в неионной форме в Н-катионированной и обессоленной водах удовлетворительно объясняется предложенной концепцией и свидетельствует о необходимости удаления железа из железистых подземных вод перед их подачей на обессоливающую ионообменную установку. Приведенное выше уравнение подсказывает основные пути удаления железа из воды. Это аэрация (насыщение кислородом) и подщелачивание (связывание ионов водорода). В бикарбонатных водах последнее проходит самопроизвольно с выделением стехиометрического количества диоксида углерода. Аэрацию можно проводить продувкой воздухом, разбрызгиванием воды в воздухе или подачей озона; в качестве других окислителей можно использовать активный хлор, перманганат калия. Под действием окислителей иониты «стареют», поэтому желательно проводить обезжелезивание безреагентным методом.

Удалению железа из подземных вод посвящена монография, в которой обобщены как теоретические, так и технологические аспекты проблемы. Учитывая специфику получения сравнительно небольших объемов особо чистой обессоленной воды для производственных иужд и специфику самих производств, потребляющих такую воду, следует остановиться на методе упрощенной аэрации с последующим фильтрованием.

Над открытым фильтром через отверстия в подающих трубах разбрызгивается вода. Толщина слоя песка в фильтре обычно не менее 1,2 м, а размер зерен от 0,8 до 1,6 мм. Большей грязеемкостью отличаются фильтры с двухслойной загрузкой общей толщиной 1,2-1,5 м и толщиной верхнего слоя 0,5 м. Для нижнего слоя используют кварцевый песок размером зерен 0,8-1,2 мм, а для верхнего - антрацитовую крошку размером 0,9-2,4 мм. Скорость фильтрования иа открытых фильтрах достигает 10 м/ч. Как правило, с уменьшением скорости пропускания воды грязеемкость фильтров повышается, и поэтому открытые фильтры надо рассчитывать на скорость, не превышающую 5-7 м/ч.

В зависимости от принятой скорости фильтрования, исходного содержания железа в воде и других факторов, продолжительность работы фильтров, естественно, различна. При скорости фильтрования 5-7 м/ч и исходном содержании железа в воде 3-4 мг/л цикл работы установки 60-100 ч. После этого фильтры промывают противотоком интенсивностью 15-18 л/(с-м2) в течение 10-15 мин.

Объем промывных вод для фильтров на участке обезжелезивания воды достигает 4% от объема очищенной воды. Когда работа обезжелезивающей установки данного типа хорошо отлажена, содержание железа в фильтрате составляет 0,05-0,1 мг/л.

В отличие от дистиллята, содержащего до 5 мкг/л железа, технический конденсат бывает обогащен продуктами коррозии. При получении из такого конденсата особо чистой обессоленной воды необходимо предварительное обезжелезивание. Для этого используют сульфоугольные фильтры, работающие с эффективностью 25-50%, или более эффективные магнетитовые фильтры, намывные целлюлозные фильтры, намывные ионитовые фильтры (носящие за рубежом название powdex). Предложены анионитовые фильтры, где удаление железа основано на коагулирующем действии анионита в ОН-форме. Намывные ионитовые фильтры работают с эффективностью, приближающейся к 100% за счет практически мгновенной кинетики процесса. Здесь наряду с сорбцией ионов из жидкой фазы происходит механическое задержание частиц твердой фазы, коагуляция и образование комплексов с анионитом, если для намывного слоя берут смесь катионов и анионообменников.

Опыты показали пригодность намывных ионитовых фильтров для извлечения из воды гумусовых веществ, комплексующих железо и другие металлы.

Острота проблемы обезжелезивания как этапа предварительной очистки воды особенно выявилась в связи с необходимостью использования ультрачистой воды для производств микроэлектроники. Для финишной очистки воды перед ее подачей на отмывку деталей приборов используют микрофильтр с порами 0,2 мкм, задерживающий микробные тела. Если из обессоленной воды недостаточно удалено железо на предшествующих этапах, то микрофильтры быстро забиваются.

Умягчение воды. При частичном обессоливании воды электродиализным методом или с помощью обратного осмоса в ряде случаев необходимо предварительно умягчить воду, т. е. освободить ее от катионов кальция и магния, способных при соответствующем анионном составе воды образовывать осадки на ионитных мембранах или на мембранах (волокнах), используемых в аппаратах обратного осмоса.

Умягчение как этап предварительной очистки при обессоливании относительно небольших масс воды целесообразно проводить ионообменным способом. Регенерация катионита, т. е. перевод его в натриевую форму, проводится пропусканием через отработавший слой сорбента 6-10%-ного раствора хлорида натрия и последующей отмывкой водой.

По причинам, которые будут рассмотрены ниже, расход поваренной соли для регенерации превышает стехиометрический в 2,5-5 раз. При работе с водой, имеющей высокое содержание солей, для умягчения целесообразно использовать сильнокислотный катионит типа КУ-2. При этом по сравнению с такими катионнообменниками, как сульфоуголь или КУ-1, довольно значительно сокращается расход соли на регенерацию.