Обезжелезивание воды
В природной воде, особенно в воде подземных источников, в больших количествах содержится железо и часто
марганец. Нормы из содержания по СанПиН 4.01-02-2009 составляют 0,3-1 мг/м3 для железа и 0,1-0,5 мг/м3
для марганца. Требования многих производств значительно жестче.
Вода с высоким содержанием железа обладает неприятным вкусом и запахом, использование такой воды в
производственных процессах недопустимо, так как приводит к накоплению железо-накипных отложений на
поверхностях оборудования, что влечет за собой истончение стенок трубопроводов, отложению солей,
образованию щелей и трещин в трубопроводе. Помимо этого, ионы железа и марганца загрязняют ионообменные
смолы, в текстильной и бумажной промышленностях высокое содержание железа в воде приводит к появлению
ржавых пятен и разводов на готовой продукции. Железо также способствует развитию железобактерий, в
результате чего на трубопроводах и на оборудовании образуется скопление слизи.
Для предотвращения пагубного влияния ионов железа на станциях водоподготовки, при необходимости,
проектируют узел обезжелезивания воды, при этом из воды удаляется и марганец.
Очистка воды от железа в ряде случаев довольно сложная задача, которая может быть решена только
комплексно. Это обстоятельство в первую очередь связно с многообразием форм существования железа в
природных водах. В подземных водах железо в основном находится в растворенном виде: двухвалентные соли
железа Fe2+ или в виде органо-минерального железа, связанного в комплексы с гуминовыми кислотами. В
водах поверхностных источников нередко встречается окисленное трехвалентное железо в виде нерастворимого
гидроксида железа, образующегося при гидролизе Fe3+ в воде.
Самый простой метод удаления нерастворенного, коллоидного железа - это отстаивание. Однако этот метод
неэффективен, требует большого громоздкого оборудования и занимает длительное время. В промышленности,
для удаления коллоидов гидроксида железа довольно часто применяется коагуляция с осветлением или
фильтраций. В качестве коагулянта применяют сульфат алюминия, оксихлорид алюминия или железный купорос.
В качестве засыпок для фильтров применяют песок, антрацит, сульфоуголь, пиролюзит, а также и другие
фильтрующие материалы.
Для извлечения растворенных солей железа и марганца сначала необходимо окислить их и перевести в
нерастворимую форму для последующего фильтрования. Для окисления используют:
1. кислород воздуха, этот процесс называется аэрацией;
2. реагенты окислители: хлор, гипохлорит натрия, озон или перманганат калия.
Таким образом основным методом обезжелезивания является фильтрование через слой зернистой загрузки с
предварительным окислением железа и марганца.
Применение реагентов окислителей для удаления железа связано с целым рядом недостатков. В случае хлора
это в первую очередь сложная транспортировка и хранение жидкого высокотоксичного хлора. При
использовании гипохлорита натрия нужно предусмотреть довольно громоздкое реагентное хозяйство, для
приготовления необходимых количеств реагента, поскольку в расчете дозы гипохлорита натрия необходимо
учитывать его расход на деманганацию, удаление сероводорода и – когда это требуется – обеззараживание.
Окисление перманганатом калия очень эффективно, так как перманганатом калия является сильным
окислителем, однако крайне редко встречается в промышленности поскольку этот реагент является
прекурсором и его соединения в воде могут быть токсичны для человека.
Окисленное железо Fe3+ в воде подвергается гидролизу с образованием нерастворимого гидроксида железа,
который удаляют на насыпных фильтрах. Основной недостаток данного метода в том, что материалы фильтра
начинают активно работать только после наращивания на их частицах слоев гидроокиси железа, работающей
как катализатор дальнейшего окисления.
Поэтому принципиально новыми продуктами, появившимися в последнее десятилетие, являются каталитические
загрузки, позволяющие с высокой эффективностью проводить обезжелезивание и деманганацию. Фильтрование с
применением каталитических загрузок на сегодняшний день наиболее распространённый метод удаления железа
и марганца, применяемый в высокопроизводительных компактных системах. Это обусловлено как коммерческими
аспектами, так и высокой технологичностью процессов. В качестве каталитических наполнителей выступают –
природные материалы, содержащие диоксид марганца или загрузки, в которые диоксид марганца в
соответствующей обработке: дробленный пиролюзит, «черный песок», сульфоуголь и МЖФ (отечественные
загрузки; Manganese Green Sand (MGS), Birm (зарубежные наполнители).
Эти фильтрующие «засыпки» отличаются друг от друга как своими физическими характеристиками, так и
содержанием диоксида марганца, и поэтому эффективно работают в широком диапазоне значений,
характеризующих воду, параметров.
Механизм их действия основан на окислении двухвалентного железа высшими оксидами марганца, при этом
происходит осаждение гидроксида железа прямо на загрузке.
Birm представляет собой горную породу, содержащую природный диоксид марганца. Manganese Green Sand (MGS)
представляет собой пористые носители (цеолиты), в структуру которых введен марганец.
При проведении процесса следует иметь в виду, что для эффективного удаления железа и марганца необходимо
наличие катализатора, который ускоряет процесс. В роли катализатора может выступать растворенный в воде
кислород. Это особенно актуально в случае, когда железо представлено в воде в виде комплексов
органических соединений и кислот, а также когда содержание железа в воде превышает 10-15 мг/л. Для
удаления органического железа необходимо сначала разрушить комплексы путём их окисления. Органические
комплексы гуминовых кислот очень стойкие к действию обычных окислителей, при обработке трудно и не
полностью разрушаются. Хлорирование дает незначительный эффект, но приводит к образованию токсичных
продуктов – соединений хлора с органическими кислотами. Стандартным методом удаления органических
соединений является сорбция на активированных углях. Применяется фильтрация через слой гранулированного
угля использованием коагулянта. К современным методам очистки от органических соединений железа можно
отнести ультрафильтрацию и сорбцию на специальных ионитах – органопоглотителях.
Бактериальное железо удаляется как методами ультрафильтрации, так и с использованием железобактерий.