Методы дехлорирования

Удаление нежелательного вкуса/запаха хлорированной воды может осуществляться несколькими путями. Использование сульфита натрия (Na₂S0₃) для обработки хлорированной воды на крупных предприятиях является одним из способов дехлорирования. Однако более популярным способом в домашних и производственных условиях является пропускание воды через слой активированного угля. Некоторые авторы полагают, что удаление избытка хлора происходит за счет комбинации двух свойств угля - адсорбирующего и каталитического. Свободный хлор в основном существует в виде двух форм - гипохлорной кислоты (НОСІ) и гипохлоритного иона (ОСІ). Формы свободного хлора легко удаляются путем восстановления активированным углем с образованием хлоридных ионов, и процесс описывается формулой:

Удаление свободного хлора, происходящее вследствие вышеупомянутой реакции, зависит от площади поверхности и процентного содержания углерода (12).

Таблица 3-1

Сравнительная характеристика активированных углей, полученных из разных источников

	I	II	III	IV	V	VI	VII
Источник угля	торф	торф	уголь	уголь	дерево	кокс	коко- совая скорлу- па
Форма	дро- блен- ный	экструди- рован- ный	дро- блен- ный	дро- блен- ный	дро- блен- ный	скатан- ный	дро- блен- ный
Размер гранул	0,95	0,66	0,45	0,60	1,70	0,40	1,0
Площадь поверхности м2/г	650-750	1100- 1200	800-900	1050- 1200	1000- 1100	1100- 1300	950- 1300
Содержание пыли	5,0	5,5	8,0	8,0	12,0	0,20	3,0
Плотность г/см2	0,29	0,42	0,67	0,45	0,69	0,58	0,50

Наиболее эффективно процесс удаления хлора происходит при pH 6,5-7,5 и температуре 60°-80° F (16°-26°С). Оптимальный размер частиц гранулированного активированного угля при использовании его в качестве свободной загрузки в адсорбционных корпусных фильтрах от 20 до 50 (ед. измерения US mesh) (рис. 3-2А). Для эффективного функционирования загрузки в домашних или производственных условиях скорость рабочего потока воды должна быть 2-3 галлона США в минуту на квадратный фут (8-11 л/мин) или 5-7 галлонов США в минуту на квадратный фут при глубине слоя 30 дюймов (76 см). (Примечание автора: учитывая тот факт, что в активированном угле так же, как и в ионообменных смолах, активно функционирует весь слой, скорость потока лучше соотносить с объемом загрузки, в отличие от песка, для которого расчеты должны проводиться с учетом площади поверхности загрузки).

Важным этапом при запуске установок, содержащих в качестве свободной загрузки активированный уголь, является этап предварительного (на несколько часов) замачивания угля. Некоторые частицы угля, адсорбировавшие воздух, могут плавать до момента полного их намокания. Продолжительное промывание угля - более 45 минут - будет приводить к вымыванию угольной пыли. Второй причиной необходимости продолжительных промывок является то, что вновь используемый слой угля может вначале выделять некоторые неорганические компоненты, такие как алюминий, натрий, калий, кальций и железо до момента уравновешивания загрузки. Свежий слой активированного угля имеет pH 9.5 - 10.5 при TDS 1,000 ppm (мг/л). Все фильтрующие корпусные системы нуждаются в проведении промывки прямым и обратным током для обеспечения их длительного функционирования, адсорбирующие фильтры в этом смысле не являются исключением. Адсорбционные системы, установленные для очистки муниципальной воды, как правило, обеспечены потоком воды достаточной скорости и давления для осуществления процесса промывки обратным током. Для частных колодцев, использующих собственные насосные системы, ситуация иная. Перед установкой насосов должна быть обязательно измерена скорость потока воды. Скорость измеряется при полностью открытом кране с использованием 5 галлоновой канистры и секундомера путем определения времени, необходимого для наполнения канистры (таблица 3-2).

Таблица 3-2 Производительность насоса

Время, необходимое для наполнения емкости 5 галлонов (19,0 литров)	Эквивалент производительности насоса в
Галлон США/мин	Литр/мин
120 сек	2.5	9.5
60 сек	5.0	19.0
45 сек	7.5	28.4
30 сек	10.0	37.8

Устройство и принцип действия угольных адсорбционных фильтров

Угольные адсорбционные устройства для домашнего применения, как правило, заполнены слоем гранулированного активированного угля (16-50 U.S. mess) в 30 дюймов (76 см) и снабжены клапаном для осуществления периодической промывки системы прямым и обратным током. При скорости потока сквозь угольный фильтр 10-12 галлонов США на квадратный фут (38-44 л/мин) зона взрыхления составляет 50% от высоты слоя загрузки, соответственно, для типовых фильтров с диаметром 10 дюймов скорость потока должна составлять 5-5.7 галлонов США на квадратный фут (19-22 л/мин).

Как уже упоминалось ранее, активированный уголь может служить убежищем для накопления безвредных органических веществ. В случае непрерывного пропускания воды через слой активированного угля концентрация таких органических веществ будет низкой. Одним из способов снижения концентрации органических соединений является использование горячей воды, когда это можно, для промывки обратным током. Эксперименты показывают, что использование для обратной промывки воды, нагретой до 49-66°С воды, позволяет разрушить большинство из этих органических веществ (13). Кроме того, высокая температура воды будет способствовать освобождению и очищению пор активированного угля, продлевая, таким образом, срок его жизни. Со временем, однако, адсорбирующая способность активированного угля будет снижаться, пока не достигнет уровня, когда его реактивация будет экономически невыгодной и, следовательно, раз в несколько лет весь активированный уголь в фильтре должен быть заменен свежим.

Ничто не является столь критичным для нормального функционирования фильтров корпусного типа, как пренебрежение своевременными промывками прямым и обратным током. В связи с этим для занятых домовладельцев и офисов мы можем рекомендовать лишь автоматически регулируемые фильтрующие системы. Промывки обратным током систем, обеспечивающих водой семью из 4 человек, должны проводиться еженедельно, семью из 2 человек раз - в 2 недели, в офисах рекомендовано проводить эти процедуры еженедельно. Для систем, снабженных управляющими по времени клапанами, эта проблема решается сама собой, но для систем с клапанами, контролирующими объем воды, требуется строгий контроль соблюдения графиков промывки.

Применение активированных углей в умягчителях

Добавление гранулированного активированного угля к слою катионита в умягчителях воды применяется в районах с повышенным содержанием хлора в воде и направлено на предохранение смолы от деградации избытком хлора, а также на

улучшение вкуса и запаха очищенной воды. Большинство ионообменных смол не устойчиво к концентрации свободного хлора более 1 мг/л. Высокий уровень хлора в воде сокращает срок службы смолы, приводя к потере ионообменных свойств и ее деградации. Для воды юго-восточных и центральных районов США характерен уровень хлора от 2,5 до 5 мг/л, что необходимо для обеспечения должного уровня дезинфекции в теплых климатических условиях.

Примером совместного использования катионита и активированного угля в одной емкости может служить умягчитель, содержащий 1 кубический фут (28,3 л) катионита и 1/3 кубического фута (10 фунтов) гранулированного активированного угля (-20 +50 U.S. mesh). Такой умягчитель может очистить, по меньшей мере, 333 000 галлонов США (1250 м³) воды, содержащей 1 мг/л хлора. Учитывая, что среднее потребление воды в домашних условиях составляет 200 галлонов в день, «такая смесь» может служить для очистки воды с концентрацией хлора около 1 мг/л на протяжении 5 лет. Периодическое проведение солевой регенерации будет оказывать дегидратирующее и очищающее влияние на угольный слой, а также разрушать накапливающуюся органику.

Плотность увлажненных гранулированных активированных углей близка к плотности катионитов. Изначально активированный уголь помещается над катионитом, однако с течением времени их гранулы перемешиваются и активированный уголь размещается в нижних двух третях объединенного уголь / катионитного слоя.

Составной частью процесса умягчения является превращение катионитом (без участия активированного угля) слабой гипохлорной кислоты в ее менее реактивную солевую форму - гипохлорит натрия, что рассматривается как процесс дехлорирования воды (14). Аналогичный процесс происходит во всех умягчителях, используемых в домашних или офисных условиях, источником воды для которых является хлорированная вода из общественных или частных источников водоснабжения. Однако избыток и высокая окислительная способность свободного хлора при его концентрации выше 1 мг/л приводит к деградации и разрушению ионообменной смолы.

Аппарат дехлорирования воды, присоединяемый к крану

Фильтр (рис. 3-4), подсоединенный к крану и содержащий сменный картриджный элемент, состоящий либо из мелкого, свободно засыпанного активированного угля, или из угольного блока, эффективно дехлорирует воду для питья, приготовления пищи и напитков. Чтобы избежать образования осадка или процесса десорбции, картриджный элемент (это касается всех картриджных

систем) следует заменять каждые три месяца. Для обеспечения своевременной замены элементов разработаны контроллеры, которые выключают систему очистки либо через определенное время, либо после прохождения определенного количества воды через картридж.

Другие методы дехлорирования

Еще одной средой успешно используемой для дехлорирования воды является высокоочищенная смесь различных металлов (медь-цинк) (продаваемая под торговой маркой KDF-55). Эта уникальная смесь используется как в виде сменных картриджей, так и в виде свободно засыпанной в корпус загрузки. Также она используется в сочетании с активированным углем. Эти комплексные - уголь+смесь различных металлов - среды обладают некоторыми синергическими чертами. Одной из характерных черт этих металлических сред является их крайне высокая плотность. Для проведения эффективной обратной промывки и взрыхления скорость потока воды должна быть от 15 до 25 галлонов США в минуту (57-95 л/мин), чтобы преодолеть специфическую высокую гравитацию этого продукта, создающую противодействие промывке обратным током.

Рис. 3.4. Картриджный фильтр для одного крана

При использовании технологии металлических сплавов удаление хлора основано на действии одного металлического компонента сплава. Такая реакция сходна с явлением децинкофикации в бронзе, когда цинк, как более активный компонент, химически реагирует с хлором, восстанавливая его до незаметной хлоридной формы. Химически реакция удаления хлора при использовании бронзы описывается следующим образом:

1 фунт (454 г) такого сплава способен очистить от хлора 16 тысяч американских галлонов воды, содержащей не более 2 мг хлора в литре. Эксперименты показывают, что 4 фунтовый картридж, содержащий аналогичный металлический материал, способен удалить 90% остаточного хлора из 200 000 галлонов США воды, если его содержание не превышает 2 мг/л, а скорость рабочего потока воды - 1 галлон США в минуту 3,78 л/мин (15).

За счет своей высокой специфичной гравитации этот материал очень хорошо проявляет себя при использовании в картриджных фильтрах на кран. Он может быть использован как сам по себе, так и в сочетании с активированным углем.