Введение
Качество и эффективность процессов водоподготовки напрямую зависят от свойств используемых фильтрующих материалов. В лабораторной и промышленной практике широко применяются упрощенные методы, которые позволяют быстро и с достаточной точностью оценить ключевые характеристики зернистых фильтрующих материалов.
Гранулометрический состав
Гранулометрический состав является одной из основных характеристик зернистых материалов, поскольку он определяет гидравлические свойства слоя, такие как сопротивление потоку воды и способность к взрыхлению. Для его определения используется метод ситового анализа. Процесс начинается с просеивания воздушно-сухого материала (от 200 до 1000 г) через набор сит с постепенно уменьшающимся размером отверстий. Затем измеряют массу материала, оставшегося на каждом сите и прошедшего через него. На основе этих данных строят график, где по оси ординат откладывают диаметр отверстий сит, а по оси абсцисс — процентное содержание материала, прошедшего через каждое сито.
Ключевыми показателями, определяемыми по этому графику, являются:
Эффективный диаметр (dэф или d50): Размер отверстий сита, через которые проходит 50% общей массы зерен. Данный параметр необходим для расчета скорости пропускания воды, интенсивности промывки.
Коэффициент неоднородности (d80 : d10): Отношение размера сита, через которое проходит 80% зерен, к размеру сита, через которое проходит 10%. Чем меньше это соотношение, тем более однородным считается материал. При высокой неоднородности высока вероятность появления «каналов» — областей с высокой скоростью потока, через которые вода проходит без должной очистки.
Физико-механические свойства
Для оценки насыпной массы, плотности, пористости и набухаемости используется простой лабораторный метод. 100 г воздушно-сухого материала засыпают в мерный цилиндр, определяют его первоначальный объем, объем после уплотнения постукиванием, а также объем воды, необходимый для заполнения пор. Для ионитов дополнительно определяют набухаемость, заливая материал раствором NaCl и измеряя его объем через 24 часа.
Набухаемость: Важна исключительно для ионитов и рассчитывается как процентное изменение объема материала после набухания. При набухании иониты значительно увеличиваются в объеме, что необходимо учитывать при расчете объема фильтра.
Механическая прочность оценивается путем взбалтывания материала в воде в течение 24 часов. После высушивания материал просеивают через сита и измеряют количество измельченного и истертого материала.
Измельчаемость (количество частиц размером 0.25-0.5 мм) не должна превышать 4-5%, а истираемость (количество частиц размером менее 0.25 мм) — 0.5-1%.
Химическая прочность проверяется путем выдерживания материала в растворах NaOH, NaCl и HCl в течение 24 часов. Затем анализируют фильтрат на сухой остаток, окисляемость и содержание кремнекислоты.
Определение обменной емкости ионитов
Для оценки эффективности ионитов используются два ключевых показателя:
- Динамическая обменная емкость (ДОЕ);
- Полная динамическая обменная емкость (ПДОЕ).
ДОЕ отражает рабочую емкость ионита в реальных условиях. После регенерации фильтра через него пропускают воду известной жесткости. Опыт заканчивают, когда жесткость фильтрата повышается до 20-50 мкг-экв/л. ДОЕ показывает, какое количество жесткой воды можно умягчить до наступления "проскока жесткости" (момент, когда концентрация ионов жесткости в очищенной воде начинает превышать допустимые нормы).
ПДОЕ определяется аналогично ДОЕ, но с использованием избыточного количества регенерирующего раствора (тройной объем). Пропуск воды продолжают до тех пор, пока жесткость фильтрата не сравняется с жесткостью исходной воды. Этот параметр характеризует потенциальную емкость материала. Сравнивая ДОЕ и ПДОЕ, можно оценить, насколько эффективно используется материал в реальных условиях и есть ли потенциал для оптимизации процесса регенерации.
Заключение
Упрощенные методы исследования свойств зернистых фильтрующих материалов предоставляют надежные и эффективные средства для контроля качества. Несмотря на свою простоту, они дают достаточное представление о физических, химических и эксплуатационных характеристиках материалов, позволяя оперативно выявлять отклонения и обеспечивать стабильность технологических процессов водоподготовки.