Железо в воде и методы его устранения
Лет двадцать назад никто особо и не задумывался над качеством воды (не считая специалистов Водоканала, занятых этим по долгу службы). Знали, что у нас в стране — самая лучшая в мире вода. В городе — «хорошая, только жесткая, а хлоркой почти не пахнет, разве что только по весне». В деревне — «хорошая, колодезная, самая что ни на есть природная». На даче — «хорошая, только на колонку ходить далеко. А что железа много — зато в Железноводск ездить не надо, курорт прямо под боком». Из диалога героев фильма «Мимино» зрителям запомнилось, что «самая вкусная вода — в Сан-Франциско», на втором месте — вода из солнечного Дилижана, хотя жителями других городов и весей эти утверждения оспаривались, подобно семи греческим городам, борющихся за право называться родиной Гомера.
С началом гласности, появлением «желтых» газет и «жареных» репортажей ситуация изменилась на прямо противоположную. Свою воду ругали с тем же воодушевлением, с каким раньше хвалили. Сейчас страсти немного улеглись и к вопросу качества воды относятся более прагматично. Если качество воды не устраивает, ее очищают в домашних условиях.
С жесткостью научились бороться раньше всего — кипячением. Для устранения запаха сегодня уже не требуется воду отстаивать или кипятить. Фильтры на основе активированного угля в форме насадок на кран, кувшинчиков и картриджей рекламируются на каждом третьем трамвае. В магазинах на полках изобилие очищенной бутылированной воды. Но. все это касается только воды для питья. А начинаешь наполнять ванну — течет железистая жидкость желто-зеленого цвета, отбивающая желание в ней купаться.
Откуда появляется железо в воде и как его оттуда удалить? Дождь — природный конденсат — поглощает углекислый газ из атмосферы, поэтому имеет слабокислую реакцию. Если вода проходит через известняки, то, растворяя их, становиться жесткой. При прохождении через железистые руды растворяет железо, через марганцевые — марганец.
Из школьного курса химии и из личного опыта известно, что железо в природе встречается двухвалентное — растворенное и трехвалентное — обычно в виде знакомой ржавчины. Также существуют органические соединения железа и так называемые железобактерии.
Примером наличия железоорганики можно считать высокоцветные воды северных рек. В природных условиях эти соединения достаточно стойкие, кислородом воздуха практически не окисляются. Для очистки такой воды от железа используют специальные методы — озонирование, коагуляция, флокуляция.
Железобактерии встречаются практически везде. Их «визитной карточкой» можно считать ржавую слизь, покрывающую трубы водопровода. Железобактерии питаются растворенным в воде железом, а когда отмирают, откладываются в виде вышеупомянутой слизи. Кстати, согласно одной из гипотез, крупные месторождения железных руд являются доисторическими кладбищами железобактерий, сконцентрировавших железо на малом пространстве.
В крупных городах забор воды идет в основном из поверхностных источников — рек, озер, водохранилищ. Такая вода практически не содержит растворенного железа — оно окисляется на воздухе и выпадает в осадок в виде гидроокиси. К тому же вода, как правило, проходит очистку на муниципальных станциях водоподготовки, где ее фильтруют и обеззараживают. Поэтому железо может появиться в такой воде только из-за коррозии стальных труб водопровода, которая происходит в присутствии воздуха. Обычно это бывает после перебоев с водой или ремонта трубопроводов — сначала вода идет из «чихающего» крана ржавая, затем становится прозрачной.
Немного особняком стоит Санкт-Петербург и другие города с очень мягкой водой. Такая вода не дает известковых отложений на бойлерах и накипи в чайниках, но обладает повышенной коррозионной агрессивностью (опять углекислота!). Поэтому вода может идти постоянно желтоватого цвета, особенно если трубопровод насчитывает не один десяток лет.
В обоих случаях железа в воде мало, и все оно находится в нерастворимой окисленной форме, поэтому предпочтение следует отдать патронным фильтрам со сменными механическими картриджами сплошностью фильтрации 20 — 30 микрон. Это защитит кафель, фаянс и стиральную машину.
Поселковый водопровод в отличие от городского качает воду из артезианской скважины, в которой, как правило, есть растворенное железо. Когда для водоснабжения используется водонапорная башня, то растворенное железо при контакте с кислородом воздуха начинает окисляться уже в ней и частично выпадает в виде осадка в башне и трубопроводах. Если водоразбор осуществляется быстрее, чем железо успевает окислиться, а хлопья осадка — сформироваться, то к потребителю вода приходит прозрачная или слегка желтоватая. Содержание железа в такой воде на порядок выше, чем в городской, и присутствует постоянно. Обычные механические картриджи задерживают только выпавшее железо, пропуская растворенное, и хватает их ненадолго.
Итак, для того чтобы перевести железо в нерастворимую форму, его надо сначала окислить. А затем отфильтровать осадок на зернистой загрузке, которая обладает большей грязеемкостью по сравнению с картриджем.
Способов окисления железа множество. Это и уже упомянутый просто контакт воды с воздухом, осуществляемый в водонапорной башне, и свободный излив с высоты, и душирование, и фонтанирование (так называемые брызгальные установки), и барботаж — продувание воздухом, и эжекция через сопла Вентури, и подача воздуха в линию компрессором. У всех приведенных выше способов окисление происходит кислородом воздуха, бесплатным природным окислителем. Он обладает только одним недостатком — для окисления железа требуется длительное время, как правило, 15-30 минут. То есть требуется контактная емкость, а иногда и повысительный насос. Сократить время окисления железа помогают катализаторы. При нанесении на зернистые среды получается фильтрующая засыпка для удаления железа, но подробнее об этом см. в «Обезжелезивание»).
При контакте с жидким окислителем или с зернистой загрузкой, обладающей окисляющей способностью, время сокращается на 3-4 порядка, то есть в тысячу раз.
Когда вода подается напрямую из скважины и нет контакта с воздухом, растворенное железо окисляется непосредственно у потребителя — в ванной, в бассейне, в сливном бачке.
Ввиду этих особенностей в области коттеджных систем водоподготовки широкое распространение получили уже упомянутые зернистые среды, обладающие окислительной способностью. Интересна история их создания: первоначально в качестве фильтрующей среды для осадочных фильтров применяли дробленый кварц (кварцевый песок), дешевый инертный материал. Стали применять его и для фильтрации выпавшего осадка гидроокиси железа.
Со временем было замечено, что порыжевший, покрывшийся пленкой гидроокиси железа в процессе работы песок удаляет растворенное железо быстрее и качественнее, чем исходный, чистый. Предположив, что это связано с каталитическими свойствами пленки гидроокиси железа, начали производство фильтрующих сред специально для обезжелезивания и поиск новых катализаторов. Скорость катализа у оксида марганца оказалась выше, он обладает не только каталитическими, но и окислительными свойствами, но дробленый природный минерал — пиролюзит — оказался еще тяжелее кварцевого песка, то есть требовал еще больше воды для промывки.
Стали покрывать пленкой оксида марганца более легкие материалы — сульфоугли, полимерную загрузку и т. д. В конце концов остановили свой выбор на алюмосиликатах, природных и искусственных цеолитах. В зависимости от содержания оксида марганца меняется плотность фильтрующей среды, скорость катализа, емкость засыпки по железу и так называемая буферная емкость — то количество железа, которое катализатор среды может окислить сам, без помощи растворенного в воде кислорода.
Преимущественно это импортные материалы, имеющие, как правило, фирменное название: Birm, МТМ, Pyrolox, Manganese Greensand. Два последних названия — один и тот же материал, покрытый оксидом марганца глауконит. Благодаря относительно высокому содержанию оксида марганца, каталитическое окисление железа кислородом воздуха на нем происходит быстрее по сравнению с другими фильтрующими средами, и он обладает уже упомянутыми окислительными свойствами: растворенное в воде железо окисляется с двухвалентного до трехвалентного состояния, а марганец фильтрующей среды при этом восстанавливается с четырехвалентного до трехвалентного состояния. По окончании фильтрации засыпка регенерируется раствором перманганата калия, трехвалентный оксид марганца вновь окисляется до четырехвалентного.
Коттеджный автоматический обезжелезиватель с окислительной фильтрующей средой устроен следующим образом: баллон, являющийся корпусом фильтра, заполнен фильтрующей средой. В верхней части баллона закреплен автомат, меняющий направление потоков воды во время фильтрации и циклов регенерации и соблюдающий оптимальную продолжительность каждого цикла. Автомат управляется таймером или расходомером. От автомата внутри баллона через всю фильтрующую среду проходит так называемая водоподъемная труба. Фильтр соединен с реагентным баком гибкой трубкой.
Во время фильтрации вода проходит через фильтрующую среду сверху вниз, поднимается по водоподъемной трубке и выходит из обезжелезивателя. Далее следует цикл обратной промывки: вода из входного штуцера направляется в водоподъемную трубку, взрыхляет марганцевый цеолит, вынося загрязнения в канализацию. Затем идет реагентная обработка раствором марганцовки, восстанавливающая химическую активность фильтрующей среды. После этого следует цикл промывки марганцевого цеолита от остатков марганцовки. И, наконец, цикл пополнения реагентного бака водой, который обычно совмещен с циклом прямой промывки, во время которого фильтрующая среда «уминается» потоком воды. После окончания регенерации фильтр снова готов к работе.
Обезжелезиватели с реагентной промывкой требуют периодического пополнения реагентного бака марганцовкой и регулярной прочистки эжектора реагентной линии — места выпадения окисляющегося марганцовкой растворенного железа.
Конструкция обезжелезивателя с каталитической фильтрующей средой отличается отсутствием реагентного бака и соответствующих циклов регенерации. Загрязнения удаляются при обратной промывке, затем сразу следует цикл прямой промывки.
К плюсам подобного оборудования следует отнести безреагентную работу. Минусы — фильтрующая среда работает в более жестких условиях. Так как скорость работы каталитической среды меньше, ее требуется в два раза больше для достижения той же производительности. При поступлении воды непосредственно из скважины требуется оборудование для ее аэрации, контактная емкость при наличии сероводорода или содержании железа выше определенного уровня и система автоматики для управления аэрирующим оборудованием. Опасность завоздушивания баллона при работе в напорной линии и как следствие — вероятность гидравлических ударов.
Фильтры-обезжелезиватели вне зависимости от наполнителя достаточно неприхотливы в работе и требуют только еженедельной промывки во избежание слеживания фильтрующей среды, проходящей в автоматическом режиме
Особенности очистки от накипи, если в воде содержится железо
Очистка или удаление накипи, содержащей железо, это одна из самых распространённых проблем с которой сталкиваются при эксплуатации котлов и теплообменников наши заказчики. Неудивительно, во многих регионах России в воде из скважин наблюдается повышенное содержание железа. И это вполне естественно, ведь железо – это четвёртый по распространённости химический элемент в земной коре.
Конечно же, железо присутствует в воде не в чистом виде, а в виде различных химических соединений и в различных формах – в растворенном, взвешенном и в коллоидном состоянии. Чем же они отличаются?
- Растворённое железо (двухвалентное, Fe(OH)2). Вода, содержащая двухвалентное железо, чистая и прозрачная. После контакта с воздухом, а также при нагревании, железо в ней окисляется до трёхвалентного, образуя характерный красно-бурую взвесь, а затем и осадок.
- Нерастворённое железо (трёхвалентное). Гидрооксид железа Fe(OH)3 нерастворим в воде, при отстаивании он выпадает в осадок. Вода, содержащая трёхвалентное железо желтовато-бурая на цвет. Взвесь хорошо поддаётся фильтрации.
- Коллоидное железо. Коллоиды – это нерастворимые частицы очень малого размера (менее 1 микрона). На поверхности частиц присутствует относительно высокий поверхностный электрический заряд. Из-за этого одноимённо заряженные частицы не укрупняются. Подобная взвесь мелкодисперсных частиц в воде находится в виде суспензии. Вода с коллоидным железом изначально окрашена в жёлто-бурый цвет. Осадка не образует и не фильтруется.
- Бактериальное железо. Содержится преимущественно в болотной воде. Называется так, потому что некоторые виды бактерий используют железо в процессе своей жизнедеятельности. Характерный признак бактериального железа – наличие радужной опалесцирующей пленки на поверхности воды. При работе на такой воде, внутри труб появляется желеобразная масса.
Высокое содержание железа ухудшает вкус воды, приводит к образованию некрасивых ржавых подтеков на сантехнике и даже окрашивает белье при стирке.
А как наличие железа в воде влияет на работу котлов и теплообменников?
Сами по себе соединения железа обладают слабой адгезией. Поэтому поток воды в системе легко смывает частички окислов железа и выносит их из системы.
Однако не стоит забывать, что в воде содержатся и другие минералы. В особенности те, которые образуют накипь — ионы кальция и магния и карбонат-ионы. При этом частицы окислов железа выступают в роли «кирпичиков», а накипь становятся как бы «строительным раствором».
В этом случае толщина слоя накипи растет быстро, как кирпичная кладка у мастера. Причем из-за окислов железа такая накипь намного тверже, чем обычно.
Труба с накипью, содержащей железо. Чтобы отколоть от трубы один из наростов, по отвертке пришлось бить молотком.
Очистить, удалить накипь, содержащую железо механическим путём – скребками и ёршиками практически невозможно. Приходится прибегать к химической очистке или даже к замене труб. Поэтому рано или поздно встаёт вопрос об обезжелезивании воды.
Обезжелезивание воды, пожалуй, одна из самых сложных задач для водоочистки. Существуют различные методы обезжелезивания воды, причем каждый из них имеет как достоинства, так и недостатки. Выбор конкретного метода (или их комбинации) в большей степени зависит от характеристик исходной воды, требований к степени обезжелезивания, бюджета, условий для размещения фильтров (некоторые фильтры занимают много места).
Наиболее «простой» случай если в воде присутствует лишь трехвалентное (нерастворённое) железо в виде окислов и окалины. Это решается установкой механического фильтра со степенью фильтрации 20-30 микрон.
Как правило, чаще железо в воде содержится в растворимой форме. В этом случае применяются следующие способы обезжелезивания:
- Окисление (самый распространенный способ). Суть его состоит в том, чтобы окислить железо и перевести его из 2-х валентного в 3-х валентное, в нерастворимую форму, а затем отфильтровать. Окисление производится путём аэрации (воздухом), хлором, перманганатом калия, перекисью водорода или озоном. Размеры окислов железа малы и осаждаются достаточно долго. Для ускорения процесса осаждения и укрупнения частиц в воду добавляют химические вещества – коагулянты.
- Каталитическое окисление с фильтраций. Здесь окисление железа происходит на поверхности гранул специальной фильтрующей среды, обладающей свойствами катализатора. Недостатком данного метода является образование на поверхности гранул органической плёнки, которая изолирует катализатор и снижает эффективность окисления вплоть до нуля.
- Ионный обмен. Технология во многом схожа с умягчением воды. В данном случае применяются ионообменные смолы, способные замещать двухвалентное железо. Недостатком метода является также чувствительность к наличию бактерий и органики воды. Также ионообменные фильтры «боятся» трёхвалентного железа, которое «забивает» смолу и очень плохо из неё вымывается.
- Мембранные технологии. Это один из самых дорогих способов. Для эффективной работы, перед мембраной рекомендуется устанавливать систему предварительной очистки воды, которая часто удваивает стоимость решения.
Очевидно, что эти решения сложно отнести к простым и недорогим. Однако их приходится применять, потому что потери на перерасход энергии (топлива), непроизводственные простои и на очистки многократно превышают затраты на водоподготовку и обезжелезивание воды.
И хотя вопрос кажется уже основательно изученным, разрешите обратить ваше внимание ещё на один способ.
Если целью установки системы обезжелезивания является только защита от образования накипи, содержащей железо, совсем не обязательно удалять железо из воды. Можно не давать накипи осаждаться на стенках труб, котлов и теплообменников. Для этого достаточно лишь установить эффективное противонакипное устройство, т.е. устройство «ферритного» типа, например WS (Вотер Инжиниринг).
Ферритное противонакипное устройство наводит на внутренних поверхностях труб и оборудования слабый положительный электрический заряд. А ионы кальция и магния имеют положительный заряд от природы (+2 по таблице Менделеева). Они (как одноимённо заряженные частицы) электрически отталкиваются полем от стенок труб и оборудования. И поток воды вносит их из котла, теплообменника.
Да, накипь образуется. Но в объеме воды, и в виде мельчайших, невидимых без увеличительного стекла, кристалликов. А на поверхностях труб, и на рабочих поверхностях оборудования можно увидеть лишь лёгкий налёт, напоминающий мельчайшую пудру.
Хорошо, а что происходит, если в системе уже есть накипь, содержащая железо?
Работа ферритного противонакипного устройства сопровождается постепенным удалением кальция из существующих накипи и отложений. Без «строительного раствора» (т.е. без накипи из сравнения выше), «кирпичики» (окислы железа) уже не могут прикрепляться друг к другу и к стенкам труб. Примерно за 4-5 недель такая накипь размягчается и превращается в некое подобие каши. Поток воды начинает постепенно вымывать окислы железа. И ещё за 2-3 недели от старой, «железной» накипи останутся лишь нежёсткие наросты и лёгкий налёт на стенках.
Участок трубы через 50 дней работы ферритного противонакипного устройства.
На фото показан участок трубы из той же системы как на снимке выше, через 50 дней работы ферритного противонакипного устройства. Видно, что на участке, где была новая труба (синяя стрелка) отложений совсем нет. Старая накипь изменила цвет. Её масса, согласно анализа, уменьшилась в 5 раз, оставшиеся отложения напоминают мельчайшую пудру. Наросты (красная стрелка) рассыпаются в пыль при легком прикосновении.
Удивительно! Еще совсем недавно, отбивая кусочек накипи с помощью отвёртки и молотка, было очевидно, что эти трубы уже ничем не очистить, и скоро их придётся менять. И это лишь вопрос времени. А сейчас от былой «железной хватки» накипи не осталось и следа.
Необходимо отметить, что так эффективно удалять накипь, содержащую железо, могут далеко не все противонакипные устройства, а лишь устройства так называемого «ферритного» типа, где энергия электромагнитного поля передаётся в воду с помощью кольца из специального ферросплава. Ферритовое кольцо позволяет передать энергию в воду практически без потерь. В то время как устройства предыдущих поколений, с индукционными обмотками, намотанными на трубе из проволоки, теряют более 99% процентов энергии при передаче. И дело не в качестве комплектующих или стране изготовителе, дело в физическом принципе. Подробнее (ссылка).
Мы рекомендуем применять WS — ферритные противонакипные устройства Российского производства.
Место установки устройства в многоквартирных домах:
Для защиты теплообменников, место установки устройства – на «обратный» трубопровод, на участке между циркуляционными насосами и вводом в теплообменник. Если в доме нет ИТП, то место установки на вводе в дом. Если есть насосы — после насосов. Если в доме несколько уровней подъёма (высотный) – то после насосов первого подъёма и после насосов второго подъёма.