Технологии удаления железа из воды

Очистка воды от железа - одна из сложнейших задач водоочистки. К сожалению, на сегодняшний день не существует такого универсального способа очистки воды от железа, который, будучи экономически оправданным, мог бы быть применимым в  разнообразных ситуациях. Любой из известных сейчас методов подходит только для определенных случаев и обладает как рядом достоинств, так и существенными недостатками.

В настоящее время существуют следующие технологии удаления железа из воды:
1. Окисление. Этот метод, применяемый уже десятки лет, представляет собой окисление железа кислородом воздуха, аэрацией, перекисью водорода, перманганатом калия, хлором или озоном с последующим осаждением и фильтрацией. Главный недостаток окисления - значительные временные затраты, предполагающие использование крупных резервуаров, что возможно только на больших муниципальных комплексах и не применимо для водоочистительных компаний меньшего масштаба. Однако ускорить процесс окисления позволяет добавление специальных окислителей. Самым сильным окислителем считается озон. Но установки для его производства оказываются весьма затратными в финансовом отношении, по причине чего применение озона ограничено.
Частицы окисленного железа имеют размер не более 3 мкм, при этом осаждаются они достаточно долго. Для их укрупнения и ускорения процесса осаждения используются специальные вещества - коагулянты. Кроме того, использование коагулянтов объясняется и тем, что на муниципальных очистных конструкциях для фильтрации используются старые песчаные или антрацитовые осветлительные фильтры, которые не могут задерживать мелкие частицы. Но даже использование современных фильтрующих засыпок не может гарантировать идеальную фильтрацию, т.к. они позволяют фильтровать только частицы размером больше 20 микрон. Для решения данной проблемы предлагается использование специальной керамики, но этот метод требует больших денежных затрат, т.к. керамика эта привозится только из-за границы. 

Таким образом, методика окисления имеет следующие недостатки:
1) Без применения коагулянтов процесс окисления железа и последующего осаждения окисленного железа занимает слишком долгое время. При сокращении времени процедуры окисления, фильтрация некоагулированных частиц существенно осложняется по причине их малого размера.
2) Большинство технологий окисления оказываются мало результативными в борьбе с органическим железом.
3) Присутствие железа в воде практически всегда гарантирует и наличие в ней марганца, который окисляется намного труднее, чем железо, при этом требует более высокого уровня pH.
Данные недостатки процесса окисления как метода удаления железа из воды приводят к тому, что эта технология не применяется в небольших водоочистительных коммерческо-промышленных системах, работающих на больших скоростях. 
2. Каталитическое окисление с последующей фильтрацией. Данный метод в настоящее время является наиболее распространенным. Применяется в высокопроизводительных компактных системах. Реакция окисления железа осуществляется на поверхности гранул специальной фильтрующей среды, которой присущи свойства катализатора, что позволяет ускорить химическую реакцию окисления. На сегодняшний день наибольшей популярностью пользуются фильтрующие среды, основанные на диоксиде марганца, такие как  Birm и некоторые другие. Основной принцип работы этих фильтрующих засыпок сводится к тому, что взаимодействие с диоксидом марганца приводит к быстрому окислению железа и его оседанию на поверхности гранул фильтрующей среды. При последующей обратной промывке значительная часть окисленного железа вымывается в дренаж. В результате слой гранулированного катализатора выступает одновременно и как фильтрующая среда. Для того чтобы процесс окисления был более эффективным, в воду могут добавлять дополнительные химические окислители. В качестве подобного окислителя довольно часто используется перманганат калия KMnO₄, позволяющий не только активизировать реакцию окисления, но также и компенсирующий вымывание марганца с поверхности гранул фильтрующей среды, т.е. отвечающий за ее регенерацию.

Однако всем системам, нацеленным на каталитическое окисление на основе диоксида марганца, присущ ряд недостатков:
1) Они оказываются неэффективными в отношении органического железа. Кроме того, если в воде присутствует любая из форм органического железа, на поверхности гранул фильтрующего материала появляется органическая пленка, которая изолирует катализатор, т.е. диоксид марганца, от воды. Тем самым, каталитическая способность фильтрующей засыпки оказывается абсолютно бесполезной. А так как в подобных фильтрах ощущается недостаток времени для естественного протекания реакции окисления, то практически бессмысленной оказывается и способность фильтрующей среды удалять железо.
2) Системы данного типа оказываются слабо эффективными и тогда, когда содержание железа в воде оказывается больше 10-15 мг/л, что вовсе не является редким. Более того, ситуация усугубляется наличием в воде марганца.
3. Ионный обмен. Данный метод используется, как правило, для умягчения воды. Раньше для проведения этого метода использовались природные иониты, такие как сульфоугли или цеолиты. В настоящее время они заменены синтетическими ионообменными смолами, что обеспечивает большую эффективность ионного обмена для очистки воды.
Стоит обратить внимание на то, что катионы удаляют из воды не только ионы кальция и магния, но также и другие двухвалентные металлы, включая растворенное двухвалентное железо. При этом ионообменные смолы способны справляться с достаточно большими концентрациями железа. Кроме того, ионному обмену никак не угрожает сопровождающий железо марганец, который осложняет работу систем, направленных на окисление. Еще одно преимущество данного метода заключается в том, что он позволяет удалить из воды железо и марганец, находящиеся в растворенном состоянии. Таким образом, нет необходимости проводить сложную процедуру окисления.
Тем не менее, ионный обмен, как и другие технологии очистки воды от железа, имеет не только свои достоинства, но и ряд недостатков. Основные из них следующие:
1) Применение данной технологии приводит к удалению из воды железа вместе с жесткостью. Данная особенность делает  этот метод уместным только в случае наличия проблем с жесткостью воды. Если ситуация с жесткостью воды благополучна, применение катионитов не считается рациональным.
2) Эффективность применения ионообменных смол уменьшается при наличии в воде трехвалентного железа. Если в воде присутствует окисленное железо, растворенный кислород или любые окислители, приводящие к его образованию, использование катионов для очистки воды не сможет дать высоких результатов.
3) Высокая концентрация железа в воде приводит не только к образованию нерастворимого трехвалентного железа, но также и к ускоренному истощению ионообменной емкости смолы, что влечет за собой увеличение расхода соли.
4) В случае наличия в воде органических веществ смола может довольно быстро покрываться органической пленкой, что приводит к образованию благоприятной среды для развития бактерий.
Однако, несмотря на все эти негативные моменты, именно применения ионообменных смол на сегодняшний день считается самым перспективным направлением в очистке воды от железа и марганца. Именно поэтому главной задачей специалистов в настоящее время является подбор такой комбинации смол, которая смогла бы быть достаточно эффективной при гораздо меньших ограничениях параметров качества вода.
4. Мембранные технологии. Данная методика используется в водоподготовке весьма активно, но способность удалять железо из воды является не столько ее целью, сколько выгодным следствием. Мембранные технологии применяются, главным образом, для очистки воды от бактерий и вирусов, а также для обессоливания и повышения качества питьевой воды. Тем не менее, применение микрофильтрационных мембран оказывается весьма успешным и в удалении из воды окисленного трехвалентного железа. Ультрафильтрационные и нанофильтрационные мембраны также обладают способностью удалять коллоидное и бактериальное железо. А обратноосмотические мембраны способны удалять из воды даже растворенное органическое и неорганическое железо.

Однако имеются факторы, ограничивающие практическое применение мембран для работы по удалению железа из воды:
1) Мембраны в наивысшей степени склоны «зарастать» органикой, также их поверхности чрезвычайно быстро забиваются ржавчиной. По этой причине требуется очень тщательная предварительная подготовка воды, в первую очередь, касающаяся очистки от взвесей и органики. Если  же такая очистка не производится, то при наличии в воде органического, коллоидного, бактериального и трёхвалентного железа, данная технология не оказывается оправданной. 
2) Стоимость мембранных систем очень высока, поэтому их использование может оказаться нерентабельным, если только дело не касается случаев, требующих высочайшего качества воды, например, в пищевой промышленности.
5. Дистилляция. Принцип дистилляции известен нам по круговороту воды в природе. Испаряясь, вода очищается от большего количества растворенных и нерастворённых примесей. В дистилляторах ускорение природного процесса испарения воды достигается при помощи нагревания воды до температуры кипения, следствием чего становится интенсивное образование пара. Этот пар не может подхватить содержащиеся в воде бактерии и вирусы, а также коллоиды и взвешенные частицы, которые оказываются слишком тяжелыми для него. Кроме того, растворенные в воде химические вещества, в том числе соли жесткости, соли железа и других тяжелых металлов, из-за высоких температур и увеличения концентрации доходят до предельной стадии своей растворимости и выпадают в осадок. В итоге пар возносит только летучие органические соединения. По этой причине в дистилляторах принято устанавливать фильтр доочистки.
При охлаждении пар конденсируется и снова превращается в воду. Данный конденсат называют дистиллятом - высокоочищенной водой. Конденсат, получаемый при повторной дистилляции, называют би-дистиллятом. Дистиллированная вода нашла активное применение в промышленности, в химических лабораториях и в медицине. Однако в качестве питьевой воды она, как правило, не используется, так как имеет низкие вкусовые качества, точнее говоря, она не обладает вкусом и запахом вовсе. Существует миф, что дистиллированная вода вредна для здоровья. Однако это утверждение не имеет абсолютно никаких подтверждений, потому не является верным.
В наше время дистилляторы имеют ограничения в применении, обусловленные следующими факторами:
1) Производительность бытового дистиллятора довольно низкая - около 1 литра в час.
2) В результате дистилляции в бойлере постоянно образуются осадок и накипь, которые требуется регулярно счищать.
3) Дистилляторы в весьма значительных количествах излучают тепло.
4) Дистилляция требует высоких расходов электроэнергии, что существенно снижает рентабельность использования дистилляторов для очистки воды от железа.