Удаление хлора и хлорамина на активированном угле

По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) порядка 3,4 млн. человек ежегодно погибают от болезней, вызванных отсутствием чистой питьевой воды. В связи с этим, проблема обеспечения населения питьевой водой актуальна и по сей день. Технология очистки питьевой воды хлором стала внедряться с начала XX века. Это помогло победить такие страшные заболевания, как брюшной тиф, холера, дизентерия.

Хлор придает воде неприятный привкус, поэтому его избыток стремятся удалять. В источнике могут присутствовать органические вещества, при взаимодействии которых с дезинфицирующим средством, образуются побочные продукты окисления. Эти вещества также вызывают ухудшение органолептических показателей воды. Помимо хлора в подготовке питьевой воды используют монохлорамин.

Это позволило несколько снизить содержание побочных продуктов дезинфекции. Для удаления нежелательных продуктов хлорирования воды применяют активированный уголь. Причем, неправильно считать, что извлечение хлора и хлорамина на активированном угле происходит за счет физической адсорбции.

Процесс дехлорирования на активированном угле

Хлор является сильнейшим окислителем, он эффективен для удаления микроорганизмов, бактерий, водорослей, вирусов. Причем хлор обладает пролонгированным действием, в отличие от альтернативных способов обеззараживания, таких как ультрафиолетовое излучения или озонирование. Он способен устранять вторичное загрязнение питьевой воды, вызванное размножением бактерий в системе водоснабжения. Максимальная концентрация остаточного активного хлора в питьевой воде не должно превышать 0,3 – 0,5 мг/л (СанПиН 2.1.4.1074 - 01).

Таблица 1 – Соотношение между HOCl и OCl- в зависимости от температуры и pH раствора

Дезинфекция воды хлорсодержащими агентами на станциях водоподготовки осуществляется двумя способами: дозирование газообразного хлора или гипохлорита натрия (NaClO). Добавление в воду хлора или гипохлорита натрия приводит к образованию хлорноватистой кислоты HClO, которая в дальнейшем диссоциирует с образованием иона ClO-.

Cl2 + H2O → HOCl + H+ + Cl-
HOCl → H+ + OCl-

Соотношение между HOCl и OCl- в воде зависит от pH и температуры (таблица 1). Бактерицидный эффект, оказываемый хлорноватистой кислотой, в 100 раз выше, чем ионом OCl-, также недиссоциированная форма лучше удаляется на угле. Механизм дехлорирования на активированном угле отличается от механизма адсорбции органических веществ. Дехлорирование происходит за счет разложения образовавшейся хлорноватистой кислоты на поверхности активированного угля. Реакции приведены ниже.

Carbon + HOCl → С˟O + H+ + Cl-
Carbon + OCl- → С˟O + Cl-

Carbon – связанный углерод; С˟O – поверхностное кислородное соединение. Реакция гидролитического расщепления хлора на активированном угле протекает достаточно быстро.

На процесс гидролитического разложения хлора на поверхности угля влияют такие факторы, как наличие органических примесей в воде (органические вещества вызывают отравление поверхности сорбента, затрудняя удаление хлора) и размер гранул сорбента. Чем меньше размер частичек угля, тем быстрее протекает процесс дехлорирования. Но, с другой стороны, чем меньше размер гранул, тем большее сопротивление потоку они оказывают, поэтому при проектировании учитывается и этот фактор. Уголь активированный гранулированный (GAC) с размером гранул 20 × 50 mesh эффективнее, чем GAC 12 × 40 или GAC 8 × 30. Карбонблоки изготавливаются из порошкового угля, размеры частичек которого варьируют от 50 до 325 mesh. Так, если в системе, рассчитанной на засыпку углем фракцией 20 × 50 mesh, произвести замену на фракцию 12 × 40, то потребуется увеличить объем засыпки на 25 – 50 %, при замене 12 × 40 mesh на 8 × 30 mesh количество засыпки может увеличится в два раза.

Как известно, с увеличением температуры скорость химической реакции возрастает, в связи с этим в зимний период в районах, где температура опускается ниже нуля, эффективность извлечения хлора падает.

Как говорилось ранее, pH воды оказывает существенное влияние на удаление хлора на активированном угле, так как от pH среды зависит от соотношения между хлорноватистой кислотой и гипохлорит-ионом. Например, при увеличение pH среды от 7 до 9 – 10 объем активированного угля необходимо увеличить на 30 – 60 %.

Проведенные исследования показали, что наиболее эффективным для использования в процессе дехлорирования воды является уголь на основе кокосовой скорлупы. CAG из скорлупы кокосового ореха по сравнению с битуминозными углями на каменной основе имеет более развитую пористость, отличается прочностью гранул, меньшим содержанием пылевидных частиц (таблица 2).

Таблица 2 – Свойства активированных гранулированных углей из кокосовой скорлупы и битуминозных каменных активированных гранулированных углей

Время контакта для извлечения хлорамина на кокосовом активированном угле меньше по сравнению с каменноугольными активированными углями. Соответственно, при одинаковых расходах воды через слой сорбента, объем загрузки в первом случае сократиться (таблица 3).

Таблица 3 – Удаление хлорамина на активированном угле

Стоимость кокосового активированного угля выше, по сравнению с каменными активированными углями, но эксплуатационные расходы меньше, за счет сокращения объема применяемого сорбента.