ФИЛЬТРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ОЧИСТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ ОТ ИОНОВ ЖЕЛЕЗА И МАРГАНЦА

Заявляемая полезная модель относится к области водоподготовки питьевой воды, а именно к фильтрующим материалам, применяемым для очистки воды от марганца и железа.
Известен неорганический сорбент, используемый в водоподготовке [RU №2229336, МПК B01J 20/12, B01J 20/06, 2003]. Сорбент включает носитель, содержащий бентонитовую глину, подвергнутую последовательно термической и кислотной активации, при этом содержание диоксида марганца в нем составляет 10-14%.
К недостаткам данного сорбента относится то, что бентонитовая глина с течением времени раскисает в воде, что приводит к его разрушению.
Известен сорбционно-фильтрующий материал для очистки воды [RU №2483798, МПК B01J 20/06, B01J 20/16, B01J 20/32, 2011], используемый преимущественно для очистки питьевой воды от марганца и железа. В качестве материала используют базальтовые волокна, которые предварительно измельчают в водной среде до размеров от 1 до 25 мм и химически активируют с помощью одной из ряда неорганических кислот: соляной, серной или азотной.
Недостатками данного материала является небольшой размер базальтового волокна (1 мм), что может привести к его проскоку в питьевую воду, что сделает ее непригодной для питьевых нужд.
Известен гранулированный фильтрующий материал, предназначенный для очистки природных и сточных вод [RU №2162737, B01J 20/02, B01J 20/06, B01J 20/30, B01D 39/02, 2000]. В качестве основы материала используют природный минерал - доломит, который измельчают и обрабатывают при комнатной температуре раствором, содержащим соли ионы двухвалентного марганца.
Недостатками данного материала является то, что доломит даже после обжига - мягкий материал, и в процессе его использования в качестве фильтрующего материала в фильтрах водоочистных установок происходит его истирание. Как следствие, вода загрязняется частичками доломита, которые увеличивают ее жесткость.
Известен сорбционно-фильтрующий материал для очистки природных вод от соединения железа и марганца [RU №2241535. МПК B01J 20/02, B01J 20/30, 2003]. В качестве гранулированного карбонатного материала используют термически необработанный карбонат кальция, содержащий не более 1% карбоната магния, химически обработанный соединениями марганца.
Недостатки - термически необработанный карбонат кальция, как правило, в воде размягчается с течением времени, что приводит к его разрушению. Кроме того, истираемость приведет к появлению в воде мутности и увеличению жесткости.
2
3
2
Прототипом заявляемой полезной модели является фильтрующий материал для очистки воды от марганца и железа [RU №2275335, МПК C02F 1/64, B01D 39/06, B01J 20/06, B01J 20/30, C02F 103/04, 2004]. В этом фильтрующем материале в качестве носителя используется зернистый материал природного происхождения - горелая порода, а на поверхности горелой породы образован каталитически активный слой, состоящий из смеси оксидов MnO, MnO и MnO.
К недостаткам прототипа можно отнести следующее:
- в горелой породе много пылевидных частиц, которые плохо вымываются и после обработки реактивами образуют грязь и перед использованием необходима продолжительная предварительная промывка.
Задачей настоящей полезной модели является разработка фильтрующего материала на основе пеностеклокерамики, пригодного для очистки воды от железа и марганца.
Технический результат - создание эффективного материала, позволяющего очищать воду от железа и марганца, а так же утилизация стеклобоя.
Поставленная задача достигается тем, что как известный, предлагаемый фильтрующий материал для очистки питьевой воды от ионов железа содержит дисперсный носитель, на поверхности которого образован каталитически активный слой, состоящий из смеси оксидных соединений марганца.
Новым является то, что дисперсный носитель, выполнен в виде пористых гранул из пеностеклокерамики.
Предпочтительно, что гранулы пеностеклокерамики имеют диаметр от 0,8 до 2,0 мм, размер пор от 0,036 до 0,135 мм, при толщине межпоровых стенок равной 0,07-0,1 мкм.
Кроме того, в состав пеностеклокерамики входит глина, стекло и органическая добавка, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Глина 8-25
Органические добавки 3-10
Стекло - остальное.
2
3
2
Предпочтительно, что на поверхности пеностеклокерамичеких гранул образован каталитически активный слой, состоящий из смеси оксидов марганца: MnO, MnO и MnO при их массовом соотношении, соответственно равном (0,5-1):(2-3):(5-6).
Для получения фильтрующего материала, способного очищать воду от железа и марганца, пеностеклокерамические гранулы подвергали последовательной обработке растворами модифицирующих реагентов, содержащих, в том числе соединения марганца.
2
3
2
2
2
3
2
При обработке пеностеклокерамических гранул модифицирующими реагентами, на ее поверхности получали комплекс не только оксидных соединений марганца: MnO, MnO. но и гидроксидных: Mn(OH), что было подтверждено рентгеноструктурными исследованиями, проведенными с помощью дифрактометра ДРОН-УМ1. В дальнейшем после просушивания на поверхности гранул получали комплекс оксидных соединений MnO, MnO, MnO.
2
3
2
Экспериментально было установлено, что смесь соединений марганца: MnO, MnO, MnO осажденная на пористые гранулы из пеностеклокерамики обусловливает высокую каталитическую активность загрузки заявляемого материала по отношению к различным солям железа и марганца, растворенным в воде.
2
3
2
2
2
2+
2+
2+
2+
2+
Зародышами образования MnO, MnO на поверхности гранул пеностеклокерамики служат ионы Mn, нейтрализующие центры ≡Si-O. При формировании частиц MnO на поверхности гранул пеностеклокерамики двухзарядные катионы Mn служат своеобразными химическими мостиками между алюмосиликатным каркасом и частицами диоксида марганца: ≡Si-O-Mn-OMn. Мостиковые катионы Mn входят во внешнюю обкладку его двойного электрического слоя. Тем самым через мостиковые катионы Mn обеспечивается взаимодействие алюмосиликат - оксид (так называемый СВАО-эффект). Этот эффект приводит к стабилизации высших форм окисления марганца.
2
2
Высокоактивный диоксид марганца, нанесенный на поверхность гранул пеностеклокерамики, образует с растворимым в воде кислородом промежуточный комплекс MnO-O. Реакцию окисления ионов сорбированным диоксидом марганца можно представить в виде следующей общей схемы:
2+
3+
4+
Mn+O=O→Mn,Mn
2+
2-
Активным «игроком» в реакции окисления ионов Mn нерастворимыми оксидами марганца являются анион-радикалы кислорода O, образующиеся на поверхности гранул пеностеклокерамики при сорбции молекул кислорода.
2+
В работе [Губайдулина Т.Α., Мельников А.Г. Зернистый каталитически активный материал для очистки питьевой воды от железа и марганца. // Химия - XXI век: новые технологии, новые продукты: Труды IX Международной научно-практической конференции. - г. Кемерово, 16-17 мая 2006. - С. 204-206.] указывалось, что сорбированный на поверхности гранул загрузки диоксид марганца и сам действует как окислитель, переводя растворимые ионы Mn в нерастворимые оксиды:
2+
2
3
4
2
3
Mn+MnOЦ→MnO,MnOЦ,
где Ц - гранулы пеностеклокерамики (алюмосиликаты).
2
3
2+
Оксид MnO также обладает окислительными свойствами, и не исключено, что его роль весома при окислении Mn.
Полезная модель иллюстрируется графическими материалами.
На фиг. 1 а) представлены гранулы, выполненные из пеностеклокерамики диаметром 0,8-2,0 мм.
На фиг. 1 б) представлены гранулы в разрезе с толщиной меж поровых стенок 0,07-0,1 мкм.
В дальнейшем полезная модель поясняется конкретными примерами изготовления материала.
В заявляемой полезной модели предлагается в качестве носителя использовать гранулы пеностеклокерамики, с характеристиками, приведенными в Таблице 1, диаметром гранул от 0,8 до 2,0 мм, имеющих размер пор 0,036-0,135 мм, с толщиной меж поровых стенок 0,07-0,1 мкм (фиг. 1).
Состав 1 был получен при следующем весовом соотношении компонентов шихты, мас.%:
Глина 8,
Кокс 5.
Древесные опилки 3
Стекло (стеклобой) - остальное.
Состав 2 был получен при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Глина 10,
Кокс 5.
Древесные опилки 3.
Стекло (стеклобой)- остальное.
Состав 3 был получен при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Глина 25,
Кокс 5,
Древесные опилки 3
Стекло (стеклобой) - остальное.
В дальнейшем для модифицирования поверхности гранул модифицирующими реагентами использовали гранулы пеностеклокерамики, полученные из состава 2.
Гранулы заливали раствором марганца двухлористого и выдерживали при перемешивании 15-20 мин. Затем раствор марганца двухлористого сливали до исчезновения капель. Подщелачивали едким натром раствор калия марганцовокислого и заливали им гранулы. Для получения оксидной пленки окончательную обработку производили натрием серноватистокислым.
В таблице 2 представлены данные экспериментов по интенсивности окрашивания для получения фильтрующего материала с заявляемым составом каталитически активного слоя в зависимости от концентрации реагентов.
Таблица 2.
Наименование материала
Концентрация, г/л
Эксперимент 1
Эксперимент 2
Марганец двухлористый
25
30
Калий марганцовокислый
30
35
Натрий серноватистокислый
25
30
Натр едкий
5
6
Интенсивность окрашивания
бежевый
коричневый
Результаты:
При использовании концентраций реагентов:
2
2
3
2
- эксперимент 1 - получен слой, состоящий из смеси гидроксида марганца: Mn(OH) и оксидов марганца: MnO, MnO при массовом соотношении компонентов (0,5:2:5).
2
2
3
2
- эксперимент 2 - получен слой, состоящий из смеси гидроксида марганца: Mn(OH) и оксидов марганца: MnO, MnO при массовом соотношении компонентов (0,7:2,5:5,5).
2
3
2
После просушивания на поверхности образцов, полученных по примеру 1 и 2, на поверхности гранул из пеностеклокерамики получали каталитически активный слой, состоящий из смеси оксидных соединений марганца: MnO, MnO, MnO.
Характеристики заявляемого фильтрующего материала для очистки питьевой воды от ионов железа и марганца приведены в таблице 3.
Таблица 3.
Характеристики заявляемого фильтрующего материала
Наименование показателя
Свойства материала
Метод определения
Внешний вид
пеностеклокерамические гранулы
ГОСТ Р 51641-2000
Цвет
От светло-бежевого до коричневого
Запах
Без запаха
Насыпная объемная масса (насыпная плотность), кг/м<sup>3</sup>
200…290
ГОСТ 8735-88
Испытания проб скважинных вод на очистку от ионов железа и марганца были проведены с использованием фильтрующего материала на основе гранул пеностеклокерамики, полученных в соответствии с экспериментом 2.
В таблице 4 приведены результаты испытаний заявляемого фильтрующего материала.
Полученные оксидные соединения марганца на поверхности пеностеклокерамических гранул вступают во взаимодействие с соединениями марганца и железа, растворенными в воде, с образованием нерастворимых соединений, которые осаждаются на поверхности гранул.
2
3
2
Как видно из результатов эксплуатационных испытаний, комплекс оксидных соединений: MnO, MnO и MnO, полученный на поверхности пеностеклокерамики, позволяет снизить содержание растворенных в воде железа и марганца в 10-15 раз.