Сорбенты для очистки воды – это нерастворимые материалы, способные поглощать различные вещества (сорбаты) своей поверхностью или объемом и удерживать их. Сорбция – самый популярный метод бытовой и промышленной водоподготовки, а также очистки стоков.
Виды сорбции
Термин «сорбция» объединяет несколько способов поглощения за счет межмолекулярного взаимодействия, которое может быть физическим или химическим, то есть с образованием новых связей.
Разновидности сорбции:
- Адсорбция – примеси задерживаются на поверхности, изменения химического состава адсорбента не происходит. Наиболее актуальная в водоочистке разновидность сорбционного механизма.
- Абсорбция – примеси поглощаются абсорбентом (диффузное поглощение), изменения химического состава сорбента не происходит. Характерна в основном для жидких сорбентов.
- Хемосорбция – между сорбентом и загрязнением происходит химическая реакция, на адсорбенте формируются новые химические связи. Характерна для сорбирования газов.
- Ионообменная адсорбция – очень важная в водоочистке разновидность адсорбции, в ходе которой сорбент меняется ионами с загрязнителем, происходит изменение химического состава.
Что сорбенты могут удалять из воды
Понятие «сорбенты» объединяет широкую группу материалов, способных захватывать из воды определенные вещества, при этом не воздействуя на другие. Это свойство называют избирательностью. Подбирая сорбционный материал, можно решать специфические задачи водоподготовки.
Какие загрязнения могут удалять сорбенты из воды:
- органические примеси, в т.ч. фенолы, пестициды, ПАВ,
- окислители, в т.ч. хлор, озон,
- хлорорганические соединения, в т.ч. хлороформ,
- нефтепродукты, в т.ч. бензин, дизтопливо, масла,
- тяжелые металлы,
- радионуклиды,
- запахи, привкусы, цветность.
Ионообменные сорбенты применяются для удаления солей жесткости и тяжелых металлов, растворенного железа и марганца. Фильтрующие материалы могут сочетать сорбционные способности с другими. Например, сорбенты на основе алюмосиликатов также выступают как катализаторы, поэтому применяются для деманганации и обезжелезивания воды.
Возможности конкретного сорбента зависят от ряда факторов, таких как химический состав и площадь поверхности сорбирующего материала, размеры и число пор сорбента. Эффективность очистки также зависит от концентрации и состава сорбата, параметров среды – температуры, рН, скорости движения воды.
Активированные угли
Активированный уголь – самый популярный адсорбент для воды. В его основе – модифицированный природный материал, получаемый путем сжигания сырья при высокой температуре в среде без кислорода с последующей активацией – обработкой паром или углекислым газом. В результате получается сорбент, преимущественно состоящий из углерода, обладающий развитой пористой структурой и содержащий минимум золы, смолистых веществ. 1 грамм активированного угля имеет активную площадь поверхности от 550 до 2000 м2.
Качество активированного угля зависит от его основы:
- Активированный уголь на основе антрацита (либо другого каменного угля) имеет высокий уровень зольности (не ниже 10%), то есть выделяет в очищенную воду угольную пыль. Количество пор на 1 грамм материала низкий в сравнении с активными углями из другого сырья – около 550 м2/г. В структуре преобладают поры среднего размера – мезопоры. Применяется в основном для очистки стоков.
- Активированный уголь на основе древесного (древесина березы считается лучшим выбором). Отличается более высокой абразивной устойчивостью, меньшей зольностью. Активная площадь поверхности – в пределах 700-800 м2/г. В структуре отмечается большое количество крупных пор – макропор. Может применяться в водоочистке.
- Активированный уголь из скорлупы кокосового ореха. Наилучший выбор для очистки питьевой воды. Устойчив к истиранию, малозольный (зольность до 5%). Активная площадь поверхности – в пределах 1400-2000 м2/г. Структура однородная, микропористая.
Активированный уголь – наиболее применяемый в водоподготовке сорбент, поскольку он доступен по цене, эффективен и разлагается естественным путем. Он удаляет хлор, пестициды, нефтепродукты, детергенты (синтетические моющие вещества), цветность, привкусы и запах воды. В фильтрах колонного типа для воды из скважины уголь применяется в виде засыпки, в бытовых фильтрах под мойку – в виде загрузки в засыпной картридж или прессованного карбон-блока (картриджи ГЕЙЗЕР серии «СВС»). Подробнее на тему читайте в статье «Активированный уголь для фильтрации воды: типы, свойства, назначение».
Активированное углеродное волокно
Это новый высокоэффективный вид угольного сорбента на основе искусственного полимерного волокна. Углеродные волокна имеют толщину 6-10 мкм с развитой микропористой структурой, что обеспечивает увеличение площади контакта с водяным потоком, а значит, эффективную очистку даже на высокой скорости фильтрации при минимальном гидравлическом сопротивлении.
Состав углеродного сорбента на основе полимерного сырья более контролируемый в сравнении с тем, что произведен из природного сырья. Например, из-за особенностей почвы, на которой растут пальмы, в кокосовом угле из Индии, Филиппин и Шри-Ланки больше железа, поэтому ГЕЙЗЕР закупает его в Малайзии и Индонезии.
У углеродного волокна выше сила связывания примесей, на его поверхности находятся кислотные и основные группы, которые способны задерживать ионы тяжелых металлов. Таким образом, углеродное волокно приобретает свойства ионообменной загрузки, материал становится полифункциональным. Технология реализована в картриджах ГЕЙЗЕР Fiber Pro.
Сульфоуголь
Еще один материал на основе углерода, функциональность которого расширена путем особой обработки – сульфоуголь. В его основе – активированный каменный уголь, который обрабатывается серной кислотой. Такая обработка вызывает поверхностное окисление угля и формированию функциональных групп с серой – сульфогрупп. Эти соединения способны к ионному обмену с солями.
Сульфоуголь широко применяется для обработки технической воды для котельных: умягчения, снижения содержания солей, уменьшения щелочности. Также он применяется для очистки жидкостей и газов на производствах. Он отличается устойчивостью к агрессивным средам, высокой адсорбционной способностью, в т.ч. в хлора, пестицидов, отношении тяжелых металлов.
Природные сорбенты для очистки воды
Преимущество природных сорбентов – их доступность. Так принято называть материалы, которые могут использоваться для сорбционной очистки без сложной предварительной подготовки. Природные сорбенты могут иметь органическое и неорганическое происхождение. Примеры первой группы – материалы на основе торфа, мха, отходов агропромышленного производства – шелухи гречки, подсолнечника и риса, отходов прочих производств. Из-за низкой стоимости и при невысоких требованиях к качеству очистки они могут использоваться как сорбент для очистки сточных вод.
Примеры неорганических природных сорбентов – монтмориллонит, вермикулит, тальк, каолинит, кварцевый песок, антрацитовая крошка, мел, опоки, доломит, диатомит, природные цеолиты (кристаллические алюмосиликаты). Последние отличаются таким преимуществом как однородность пор. При термической обработке при 700оС сорбционные свойства цеолитов улучшаются, а нагрев до 1000оС и обработка хлоридом и карбонатом Na повышают их прочность.
Цеолиты (шабазит, морденит и пр.) обладают одновременно адсорбционными, ионообменными и каталитическими свойствами. Эти сорбенты называют молекулярным ситом, им свойственна способность избирательно захватывать определенные ионы. Цеолиты используются для извлечения веществ, размер молекул которых меньше входного отверстия пор материала, в т.ч. ПАВ, красителей, пестицидов, коллоидов, бактерий, органических соединений (осветления воды), стронция, аммонийного азота, радионуклидов.
Алюмосиликатные адсорбенты для удаления растворенного железа
Цеолиты – кристаллические алюмосиликаты – перспективные материалы для очистки воды, поэтому проводятся попытки улучшить их сорбционные свойства. Разработаны методы активизации алюмосиликатов термическим и химическим путем, производятся синтетические цеолиты.
Активированные алюмосиликатные сорбенты – это активированные гранулы природного или синтетического алюмосиликата. Алюмосиликатные гранулы могут иметь покрытие, как популярные загрузки Birm или Rubirm с покрытием оксидом марганца, или не иметь такого покрытия, как загрузка «Экофер» производства ГЕЙЗЕР, «Сорбент АС» и «Сорбент МС».
Фильтрующие материалы на основе алюмосиликатного сырья могут использоваться как сорбенты для очистки от растворенного железа и марганца, поскольку помимо сорбционных свойств имеют каталитические: переводят растворенное двухвалентное железо в твердую трехвалентную форму, после чего металл осаживается на загрузке. Кроме того, алюмосиликатные загрузки способны снижать объем сероводорода.
Алюмосиликатные фильтрующие материалы могут применяться в качестве однослойной или в составе многослойной загрузки в системах очистки воды из скважины, включаться в схемы с аэрацией. В отличие от ионообменной смолы, регенерация алюмосиликатной засыпки проводится простой обратной промывкой, без регенеранта.
Ионообменные сорбенты
Ионный обмен – специфический вид адсорбции заряженных частиц (ионов). Иониты способны извлекать из воды соли одних веществ, заменяя их другими. «Плохой» ион фиксируется на сорбенте, его заменяет безвредный ион, часто это ион натрия. С помощью ионного обмена можно решить две самые распространенные проблемы воды – повышенная жесткость и превышение содержания железа. Вот почему обычно его выносят в отдельный способ очистки воды. Помимо умягчения и обезжелезивания ионообменные материалы могут извлекать катионы тяжелых металлов (например, свинца), а также нитраты.
Наиболее распространенная форма такого фильтрующего материала – ионообменная смола. Это полимерные круглые гранулы, на которые нанесены функциональные группы. Смолы различаются зарядом иона, который может быть положительным или отрицательным, а также размерами сфер. Эти особенности определяют способность к извлечению тех или иных загрязнений, позволяют специализировать ионообменную смолу под конкретную задачу. Для комплексной очистки эффективны смеси разных видов ионообменной смолы. Этот принцип использован в загрузках ГЕЙЗЕР серии ЭКОТАР.
Ионообменное волокно
Другая разновидность ионообменного сорбента – волокно. КАТАЛОН – это ионообменный волокнистый материал с повышенной сорбционной способностью и ускоренной очисткой. В отличие от многих ионообменных смол, волокно КАТАЛОН подходит для очистки горячей воды с температурой до 80оС.
Модификации:
- «Каталон 100» – катионит для удаления тяжелых металлов,
- «Каталон 150» – катионит для удаления свинца, мышьяка, ртути при высокой жесткости воды,
- «Каталон 200» – анионит для извлечения коллоидного железа,
- «Каталон 800» – катионит с повышенной способностью к поглощению благородных металлов, в т.ч. золота.
Избирательность сорбента важна для качества очистки. Например, если в жесткой воде будет находиться такая опасная примесь как мышьяк, удалить его обычной ионообменной смолой практически невозможно: фильтрующая среда потратит почти весь свой ресурс на удаление ионов кальция и магния, поскольку их содержание намного выше. При этом даже небольшое содержание мышьяка в воде очень опасно, а значит, важно использовать ионит, который не будет «обращать внимание» на высокую жесткость, а потратит ресурс на мышьяк. «Каталон 150» способен извлекать мышьяк при высокой жесткости воды.
Волокно КАТАЛОН применяется в фильтрующих модулях для фильтр-кувшинов ГЕЙЗЕР. Скрученное в нити, оно используется в нитяных картриджах для магистральных фильтров от железа в сериях Fe Mix, Fe, «Каталон». Благодаря избирательности они могут использоваться для обезжелезивания как жесткой, так и мягкой воды: извлекая ионы железа, марганца и других тяжелых металлов, они пропускают ионы кальция и магния, не влияя на параметр жесткости.
Синтетические сорбционные материалы
Материалы на основе пропилена, полиуретана, полиэтилена, пенополистирола, карбопаки и карбохромы, отличаются высокой сорбционной способностью, контролируемостью состава, однако их стоимость может быть высокой. Вот почему сфера применения синтетических сорбентов ограничена, и они редко используются для нужд бытовой и промышленной водоочистки.
АРАГОН – уникальный сорбент
Фильтрующий материал АРАГОН на полимерной основе разработан и запатентован компанией ГЕЙЗЕР. Он объединяет свойства сорбента, ионообменного материала и фильтра механической очистки, благодаря чему способен удалять широчайший спектр примесей: нерастворимые частицы, тяжелые металлы, радионуклиды, органические и хлорорганические соединения, хлор. Также в материале происходит Квазиумягчение – кальцит, формирующий накипь, частично переходит в арагонит – форму кальция, не образующую отложений.
Разнообразие модификаций материала АРАГОН, различные варианты пористости, возможность соединения с другими фильтрующими средами – ионообменными смолами, активированным углем – позволяет создавать картриджи серии «Арагон» для питьевых и магистральных фильтров, для фильтрации жесткой, мягкой, железистой воды. Еще на стадии синтеза в АРАГОН добавляют серебро, которое обеспечивает бактериостатический эффект.
Прочие виды сорбентов
Потребность в сорбентах очень высока, поэтому постоянно проводится поиск новых материалов, которые будут эффективнее, дешевле или избирательнее. Например, наносорбенты на основе графита хорошо показали себя в удалении из воды нефтепродуктов, синтетических машинных и растительных масел, пищевых жиров.
Особую группу составляют микробиологические сорбенты. Воду от токсинов в этом случае очищает биомасса. Биосорбентом могут служить водоросли, бактерии, грибы, дрожжи. Они показывают высокую эффективность в удалении тяжелых металлов и радионуклидов.
Виды сорбционных фильтров
Сорбция входит практически во все схемы очистки воды, будь то промышленная или бытовая водоподготовка. Разные формы и виды сорбентов позволяют использовать их в фильтрах различного устройства и назначения.
Сорбционные фильтры могут быть:
- Напорные – фильтры-колонны, используемые в промышленной и бытовой коттеджной водоподготовке. Работают под давлением.
- Безнапорные – работа проходит в режиме самотека, часто так очищают сточные воды.
- Картриджные – это проточные фильтры «под мойку», популярное решение для питьевой воды на кухне.
- Аварийные поглотители – сорбенты, используемые на местах разлива нефтепродуктов или других вредных веществ.
Некоторые сорбенты можно регенерировать, что продлевает срок их службы и снижает эксплуатационные затраты. Например, фильтры-колонны для умягчения или обезжелезивания воды с ионообменными загрузками включают систему регенерации засыпки таблетированной солью.
Закупка сорбентов – это поиск баланса между их эффективностью и стоимостью. Сделать оптимальный выбор поможет четкое понимание задачи и знание всего многообразия доступных продуктов. Озвучьте ваши потребности, и эксперты ГЕЙЗЕР решат самые сложные задачи водоочистки!
