Изучение сорбционной способности фильтрующих материалов бытовых фильтров



Введение.

Увеличивающиеся масштабы производства и повышение требований к качеству воды диктуют поиск все более эффективных способов удаления загрязнений из природных и сточных вод, возврата очищенных стоков для повторного использования. Среди методов, успешно применяющихся для решения этой задачи, сорбционная очистка воды является одним из наиболее эффективных. Под сорбционной очисткой обычно понимают сорбцию (концентрирование) веществ на поверхности или в объеме пор твердого материала.

К преимуществам сорбционного метода относятся: возможность удаления загрязнений чрезвычайно широкой природы практически до любой остаточной концентрации не зависимо от их химической устойчивости, отсутствие вторичных загрязнений и управляемость процессом.

История применения сорбентов связана с микропористыми углеродными материалами — активными углями, получаемыми из каменного угля, дерева, костей животных, ореховых косточек и др. Адсорбирующее действие активированного угля обусловлено его большой удельной поверхностью, что позволяет использовать этот сорбент для различных целей: извлечение из растворов посторонних веществ, поглощение газов, обесцвечивание жидкостей и т. д.

Также известны такие сорбционные материалы, как шунгит и цеолит, которые были открыты около 20 лет назад на территории России. Ученые выяснили, что эти материалы обладают сорбционными, каталитическими и бактерицидными свойствами. В 1991 году шунгит впервые был использован в промышленности для производства минеральных фильтров в водоочистке питьевой вода.

В недавнее время, после изобретения еще одной разновидности углерода — углеродной смеси высокой реакционной способности, стали применять новый материал в качестве сорбента в водоочистке. УСВР химически инертен, электропроводен, устойчив к агрессивным средам, содержание углерода не менее 99,4 %. Частично разорванные ковалентные связи позволяют удерживать в массе материала широкую группу загрязняющих веществ.

Все отечественные и зарубежные компании, которые уделяют внимание проблемам сорбционной очистки воды, далее вышеперечисленных материалов не выходят, с одной лишь разницей, что пользуясь в основе этими сорбентами, каждая пытается применять иную (чем у конкурентов) модификацию и после этого заявить, что ее фильтр сорбирует лучше. Соответственно, разброс цен на сорбционные материалы колеблется в широких пределах, чем приводит в замешательство потребителя при подборе фирмы, предоставляющей услуги данного рода.

Цель работы, таким образом, состояла в выборе наиболее оптимального сорбента. Рассмотреть все фильтры и учесть все производящие компании в условиях данной работы невозможно, поэтому наиболее приемлемым решением является исследование сорбционного способа очистки на основе использования бытовых фильтров. В качестве объекта изучения будем рассматривать наиболее распространенные бытовые отечественные и зарубежные фильтры, которые различаются по методу и способу использования основного компонента, к таким можно отнести: Геракл (УСВР), Brita, Anna, Гейзер, отечественный фильтр ММ (шунгит + цеолит), для сравнения взят давно известный материал — аптечный активированный уголь.

Таким образом, предстояло решить несколько задач:

1. Изучить адсорбцию на границе жидкость-твердое тело и подобрать выполнимый метод исследования сорбирующих способностей материалов.
2. Определить целесообразность применения бытовых фильтров.
3. Выбрать, отталкиваясь от параметров цена-качество, наилучший сорбент.

Экспериментальная часть.

Адсорбция на границе твердое тело — раствор представляет собой изменение концентрации растворенного вещества (т. е. количества вещества в единице объема) в поверхностном слое по сравнению с его концентрацией в объеме жидкой фазы.

Другими авторами был предложен способ изучения сорбирующих способностей материалов на адсорбции уксусной кислоты. Он заключается в определении концентрации раствора до контакта с адсорбентом с ₀ и после наступления адсорбционного равновесия с.

Для выполнения опыта брали 5 навесок материала по 1 г и помещали их в раствор уксусной кислоты с разными концентрациями, далее помещали колбы с содержимым в машину для встряхивания и оставляли на 30 минут. По истечению времени титровали раствор щелочью известной концентрации с использованием индикатора.

Далее, повторяли аналогичные действия с другими материалами. Результаты опытов были сведены в таблицы. По полученным данным строили изотермы адсорбции в координатах «а-с», которые представлены на рисунке 1. Из экспериментальных данных видно, что наилучший результат показал аптечный активированный уголь, а также материал УСВР. Остальные материалы показали неудовлетворительные результаты. У них величина адсорбции практически не зависит от концентрации, то есть при малых концентрациях кислоты произошло полное насыщение поверхности адсорбента.

Рис. 1. Изотермы адсорбции, m= 1 г., перемешивание 30 мин.

Для более детального изучения адсорбции данными материалами увеличили количество сорбента с 1 до 10 грамм и время контакта до 1 часа. По полученным данным, изотермы адсорбции представлены на рисунке 2. Здесь можно заметить, что изменение влияющих факторов не дало положительного результата. Величина адсорбции практически не изменилась, это можно объяснить низким содержанием гранул активированного угля в фильтрах, визуально составляет 10–20 %, весь остальной объем занимает ионообменная смола.

Рис. 2. Изотермы адсорбции, m= 10 г., перемешивание 1 час

Далее были построены диаграммы. На рисунке 3 приведена стоимость 1 грамма адсорбента. Самым дорогим веществом оказался материал УСВР, его удельная стоимость составляет 26 руб/г. Наиболее дешевыми — горные породы шунгит и цеолит, их стоимость, по сравнению с остальными материалами, кажется эффектно низкой — 7 копеек за грамм. Это достигается за счет того, что они выпускаются в упаковке по 1 кг, а не 60 грамм, как многие сорбенты.

Рис. 3. Удельная стоимость сорбента. (руб./г.)

Рисунок 4 отражает эффективность использования сорбента, как отношение средней сорбирующей способности к удельной стоимости. Таким образом, наилучший результат показал аптечный активированный уголь, ввиду своей невысокой стоимости и наилучшими сорбционными свойствами. Материал УСВР хоть и отстает по сорбционной активности от аптечного угля примерно в два раза, его эффективность приближается к бытовым фильтрам, основанным на использовании активированного угля, за счет очень высокой удельной стоимости поглотителя. Сорбционные материалы фильтров «Brita», «Anna» и «Гейзер» показали неудовлетворительный результат во всех отношениях. А вот шунгит и цеолит оказались эффективнее даже наноматериала, ввиду своей низкой стоимости.

Рис. 4. Отношение среднего значения адсорбции к удельной стоимости

Выводы:

1. Исследована сорбционная способность фильтрующих материалов бытовых фильтров, основанная на адсорбции раствора уксусной кислоты, сопоставимой с адсорбцией органических веществ.
2. Результаты показывают, что картриджи бытовых фильтров обладают намного более низкой сорбционной способностью, чем утверждают производители, разница составляет десятки раз. Цену фильтра диктует раскрученность бренда и количество денег, вложенных в рекламу, а не его себестоимость и качество.
3. Наилучшим сорбентом оказался аптечный активированный уголь. Проведенные опыты показали низкую эффективность использования бытовых фильтров, основанных на применении активированного угля, ввиду несоответствия заявленным параметрам.
4. Наиболее эффективным бытовым фильтром является минеральный фильтр, состоящий из шунгита и цеолита. Исследование сорбционной активности шунгита показали, что он очень быстро насытил свою поверхность органическими веществами, но производители фильтров не заявляли этот материал, как сорбент. Цеолит же, в свою очередь, по сорбционной активности превзошел даже некоторые фильтры, основанные на активированном угле. Также, можно учесть тот факт, что вода в таком фильтре будет проходить через слой несколько десятков сантиметров (так как общая масса наполнителя фильтра составляет 2 кг) и возможности наиболее полно адсорбировать загрязняющие вещества, у такого фильтра, будет больше.

Литература:

1. Воюцкий С. С. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1976.
2. Зимон А. Д., Лещенко Н. Ф. Коллоидная химия. М.: «Агар», 2001.
3. Нагимуллина, Г. Р. Применение отходов валяльно-войлочного производства для удаления ионов тяжелых металлов из сточных вод / Г. Р. Нагимуллина. — Текст : электронный // Электронная библиотека диссертаций : [сайт]. — URL: https://www.dissercat.com/content/primenenie-otkhodov-valyalno-voilochnogo-proizvodstva-dlya-udaleniya-ionov-tyazhelykh-metall? (дата обращения: 30.04.2022).