Технология получения и применения реагента для очистки и обеззараживания воды различного назначения в полевых и стационарных условиях

Предлагается технология синтеза и применения ферратов для кондиционирования воды различного назначения, использующая успехи в химии наноматериалов, самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, "Зеленой химии". Решение основано на свойствах специального композиционного материала, генерирующего ферраты при контакте с водой. Его просто получают на месте применения из заранее подготовленной и легко транспортируемой смеси безопасных компонентов. Реализация технологии не требует крупного финансирования и привлечения высококвалифицированного персонала.

Для обеспечения возрастающих требований к количеству и качеству потребляемой населением и промышленностью воды открываются новые месторождения воды, разрабатываются технологии повторного использования сточных вод. Однако независимо от происхождения и назначения воды второй по значимости является проблема ее очистки. До сих пор не предложено простых и эффективных методов очистки воды. Одним из перспективных научно-технических решений считается применение высокоокисленных соединений железа - ферратов (VI), в качестве кондиционирующего воду реагента. Феррат-ион является сильным окислителем, который можно использовать для окисления примесей различной природы, обеззараживания и дезинфекции воды. В отличие от общепринятых технологий с использованием хлора, гипохлоритов, озона и т.п., ферраты обладают рядом преимуществ. Ферраты не образуют ядовитых хлорорганических веществ, сами не токсичны, не ухудшают органолептические свойства воды и не инициируют коррозию трубопроводов. Продуктом разложения ферратов в воде является гидроксид железа (III), образующий взвесь высокодисперсных частиц. Их высокоразвитая поверхность адсорбирует из воды ионы неорганических примесей (в том числе радионуклиды), органические молекулы, фрагменты микроорганизмов и вирусов. Это позволяет достичь еще более высокой степени очистки воды после коагуляции гидроксида железа и выделения его вместе с адсорбированными примесями в осадок. Видно, что применение ферратов позволяет объединить как минимум две стадии водоподготовки: обеззараживание и коагуляцию.

Несмотря на описанные преимущества основанные на использовании ферратов технологии очистки воды не нашли практического применения из-за технических, экономических и экологических проблем, связанных с синтезом, хранением и применением основных реагентов - ферратов. Так, применяемые технологии производства ферратов являются трудоемкими и дорогостоящими, требуют привлечения высококвалифицированных кадров. В настоящее время они опираются на две основные методики синтеза ферратов. Первая - это синтез ферратов в водных сильнощелочных средах посредством окисления соединений железа с помощью сильных окислителей (хлор, гипохлориты, бром, озон и т.п.) или посредством анодного окисления железа. Таким образом могут быть получены только сильнощелочные растворы феррат-ионов, устойчивость которых в самых благоприятных условиях (концентрация щелочи более 15 моль/л, температура ниже 0°С) ограничивается парой десятков суток. Выделение из этих растворов твердых ферратов является трудоемкой и дорогостоящей технологической операцией, в результате которой может быть получен реагент только сильно загрязненный щелочью, продуктами разложения и органическими растворителями. Другая методика синтеза ферратов заключается в сплавлении соединений железа со значительным избытком высокореакционных окислителей (пероксиды или/и нитраты щелочных металлов) при температурах от 400 до более, чем 1000°С. Гигроскопичность, пожароопасность, едкость и высокая стоимость используемых реагентов требует применения специального оборудования и привлечения для работ высококвалифицированного персонала. Получаемый при этом продукт неизбежно загрязнен гигроскопичными и взрывоопасными перекисными соединениями щелочных металлов или/и едкими щелочами. Таким образом, в промышленных и полупромышленных условиях практически невозможно получить реагент достаточной чистоты. А наличие этих неизбежных примесей в ферратах приводит к сильному защелачиванию очищаемой воды. Кроме того, сами ферраты щелочных металлов химически активны, при комнатной температуре термодинамически нестабильны, разлагаются на влажном воздухе. При их хранении и транспортировке требуется тщательная герметизация контейнеров и пониженная температура.

Принципиальным отличием предлагаемой технологии от описанных выше решений является то, что процесс генерации ферратов осуществляется непосредственно в очищаемой среде, а это позволяет достичь максимальной эффективности от этой перспективной методики. Сам "генератор ферратов" (ГФ) синтезируется (активируется) на месте применения, а все подготовительные работы проводятся заранее в стационарных условиях. Таким образом, формально "производство" нестабильных ферратов переносится с "завода" на место (а точнее в среду) их применения. При этом к потребителю не переносится весь "завод" (например, такое решение тоже существует на рынке - http://www.ferratetreatment.com), а доставляется полуфабрикат готовый к использованию в любое время.

Мы предлагаем новую технологию получения и применения ферратов для кондиционирования воды различного назначения. В ней применяются новые подходы к синтезу материалов, опирающиеся на достижения химии наноматериалов и самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), принципы "Зеленой химии". В основе нашей технологии лежит применение специального композиционного материала, генерирующего феррат-ионы при контакте с водой. Сам материал может быть легко получен непосредственно на месте применения из предварительно подготовленной и легко транспортируемой смеси компонентов. Это позволяет применять ее не только в стационарных, но и в полевых условиях. Для реализации технологии не требуются крупные финансовые вложения. Обслуживание технологических операций возможно силами низкоквалифицированного персонала.

Технология предлагает решение проблемы реагентной очистки воды различного назначения (от дезинфекции сточных вод до обеззараживания питьевой воды). Несмотря на универсальность и масштабируемость предлагаемой технологии, мы ожидаем, что она будет наиболее востребована в случаях, требующих индивидуального или/и отложенного применения или оперативного обеззараживания локальных источников воды, где применение традиционных методов очистки воды невозможно. Такая необходимость возникает, например, в условиях туристических или геологоразведочных экспедиций (кондиционирование воды из природных источников), боевых действий (обеззараживание воды в зонах химического, радиационного и биологического заражения), на территориях распространения эпидемий, при дезинфекции очагов сброса сточных или биологически опасных вод. Предлагаемая технология позволяет реализовать ее в виде компактных легких и безопасных индивидуальных устройств с высоким сроком годности. Поэтому, прежде всего, данная технология может представлять интерес для служб устранения последствий чрезвычайных ситуаций, медицины катастроф, санитарных и военизированных ведомств. Помимо этого, в условиях стационарного применения данная технология может быть востребована организациями, связанными с обеспечением населения и промышленности водой, а также утилизацией и переработкой сточных вод.

Приблизительная схема применения технологии "генератора феррата" для очистки воды заключается в следующем. На "заводе" из дешевых экологически чистых и пожаробезопасных реагентов изготавливается картридж (исходная смесь компонентов) "генератора ферратов" в удобной форме (брикеты, таблетки, палочки и т.п.). Данный картридж не опасен, может храниться при обычных условиях, а при случайном контакте с водой разрушается с образованием экологически безвредных веществ. Его легко доставить не только на водоочистные станции, но и "в поле". При возникновении необходимости получения растворов ферратов для очистки воды нагревают только минимальную область картриджа (например, в полевых условиях это можно осуществить с помощью спичек), инициируя самораспространяющийся высокотемпературный синтез материала "генератора ферратов". Тепло, выделяющееся в результате взаимодействия компонентов картриджа, поддерживает дальнейшее самостоятельное протекание реакции в объеме картриджа в виде "твердого пламени". После окончания реакции и охлаждения материала "генератора ферратов" (выделяющееся тепло также можно использовать), он помещается непосредственно в воду, требующую очистки. При этом синтез собственно феррат-ионов инициируется очищаемой водой, омывающей "генератор ферратов". Как показывают наши эксперименты, в воду вымываются исключительно феррат-ионы, а защелачивания воды не происходит. Отработанный "генератор ферратов" легко удаляется из объема воды механически и может быть вторично переработан.

Таким образом, в предлагаемой технологии исключаются затраты на синтез, очистку, хранение и транспортировку нестабильного реагента - феррата. Феррат-ионы (без примесных соединений) генерируются непосредственно в очищаемой воде, максимально эффективно реализуя свои свойства. Технология легко масштабируется от индивидуального применения до промышленного.

Решение технологических проблем, связанных с обработкой воды ферратами, может заинтересовать как государственные структуры (Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий (МЧС), Министерство обороны Российской Федерации (Минобороны), Министерство внутренних дел Российской Федерации (МВД), Министерство здравоохранения Российской Федерации (Минздрав), Министерство природных ресурсов и экологии Российской Федерации (Минприроды), Министерство строительства и жилищно-коммунального хозяйства (Минстрой)), так и частные компании, связанные с геологоразведочными работами, с водоподготовкой для электронной или пищевой промышленности, муниципальные предприятия.