Является ли активированный уголь средством для снижения содержания бромата?

Хорошо известна способность активированного угля удалять из воды органические примеси в ходе процесса адсорбции. Кроме того, активированный уголь может в результате различных химических реакций удалять хлор и хлорамин, а также служить в качестве общего средства фильтрации. Однако его способность снижать содержание бромата остается неясной.

Во многих работах рассматривается возможность использования активированного угля для этих целей. В большинстве из них делается заключение о том, что указанное решение является экономически неоправданным. Вместе с тем следует заметить, что авторы этих работ не до конца понимают значение ограничений методов оценки характеристик угля или же тот факт, что активированный уголь бывает разный. Особенно это сказывается в ситуациях, когда основную роль в процессе играют химические реакции.

Законодательные предписания, описание некоторых реакций

Бромат (BrO₃^–) является побочным продуктом процедур дезинфекции воды, образующимся при реакции озона и природного брома, присутствующего в питьевой воде.

Образование бромата при стандартной процедуре дезинфекции с использованием хлора маловероятно, но имеются свидетельства того, что существующие на рынке растворы гипохлорита натрия могут содержать бромат в качестве загрязняющего вещества.

Бромат является крайне токсичным веществом, вызывающим необратимое разрушение печени, глухоту и даже смерть. В печени крыс под влиянием бромата образуются опухоли, поэтому американское, канадское и европейское агентства по защите окружающей среды установили значение максимально допустимого содержания бромата в питьевой воде, равное 10 мкг/л.

Сначала в питьевой воде появляется бромид, затем образуется бромат. В США концентрация бромида в питьевой воде в среднем равна приблизительно 100 мкг/л. Так как бромат на 63 % состоит из бромида, для превышения максимально допустимого уровня достаточно, чтобы в реакции с озоном участвовало только 6,3 мкг/л бромида.

Естественными причинами появления брома в грунтовых водах являются проникновение соленой воды и распад бромида в осадочных породах. Бром присутствует в питьевой воде обычно в форме бромноватистой кислоты (HOBr^–) или гипобромида (OBr^–). В реакции с озоном ионы бромида быстро окисляются в водный бром.

Наряду с броматом при проведении процедур дезинфекции водный бром образует различные побочные соединения брома, такие как бромоформ и бромированные галоуксусные кислоты.

Озон и образование водного бромата

Для понимания процесса образования водного бромата необходимо иметь представление о реакциях разложения озона. При образовании побочных продуктов озон может играть роль окислителя либо непосредственным образом (молекулярный озон), либо косвенно (гидроксильный радикал).

Озон взаимодействует непосредственно с ионами бромида, образуя гипобромит и кислород.

O₃ + Br^– ® O₂ + OBr^–

Затем две молекулы озона взаимодействуют с гипобромитом с образованием бромата и кислорода. Может происходить и другая реакция, при которой гипобромит взаимодействует с несколькими гидроксильными радикалами, образованными при разложении озона.

2O₃ (или OH*) + OBr^– ® 2O₂ + BrO₃^–

Данные реакции показаны в обобщенном несбалансированном виде, но они дают представление о механизме образования бромата.

В коммунальных службах, использующих озон в качестве основного средства дезинфекции для дезактивации вирусов Giardia и других вирусов, поддержание показателя максимально допустимого значения содержания бомата в питьевой воде на уровне 10 мкг/л технически достаточно легко выполнимая задача. Гораздо более сложная в техническом отношении задача — это поддержание данного показателя при необходимости проведения более глубокой и долговременной обработки воды с целью дезактивации микроорганизмов Cryptosporidium, Crypto и вирусов Giardia, с применением минимум двух средств дезинфекции.

Рис. 1. Сравнительная скорость реакции гранулированного активированного угля с усиленными каталитическими свойствами и обычного битумного угля. Время реакции снижения уровня концентрации бромата в дифференциальном реакторе гранулированного активированного угля с усиленными каталитическими свойствами и обычного битумного угля

О чем говорят результаты исследований  и что еще необходимо выяснить

Эффективность применения активированного угля для снижения содержания бромата исследовалась многими авторами. Приводимые ими данные довольно противоречивы и в некоторых случаях могут вводить в заблуждение из-за техники, которая использовалась для определения применения активированного угля.

Очевидно также, что в этих исследованиях не придавалось должного значения выбору типа угля, что привело к некорректным обобщениям.

В работе «The Effect of Granular activated Carbon Surface Chemistry on Bromate Reduction» рассматривается влияние химического состава поверхности гранулированного активированного угля на снижение содержания бромата. В работе приводятся данные, согласно которым свойства поверхности влияют на эффективность удаления бромата, равно как хлора и окисление сероводорода и сернистого ангидрида, содержащихся в водяном паре.

Исследовалась способность разных видов предлагаемого на рынке активированного угля, имеющего каталитические и адсорбционные свойства, удалять бромат. Но в результате из-за условий, в которых производились эти исследования, были получены противоречивые данные.

Рис. 2. Данные снижения содержания бромата и образования бромида. Скорость реакции преобразования бромата в бромид

Кинетика реакции

Испытания проводились при помощи дифференциального реактора, в котором выявлялась скорость реакции стандартного гранулированного угля, произведенного на основе битумного угля, и угля с усиленными каталитическими свойствами. В таблице показаны типичные свойства угля.

Представленные на рис. 1 данные скорости реакции указывают на то, что происходящая реакция имеет линейный характер и, что более важно, скорость реакции угля с усиленными каталитическими свойствами в 3—4 раза выше, чем у обычного угля.

Анализ воды показывает, что в результате реакции разложения бромата образуется бромид (рис. 2). Большая скорость реакции с углем с усиленными каталитическими свойствами означает, что при использовании такого угля в реальных системах потребуется меньшее время контакта с активированным углем.

Исследование экспериментальных конструкций показывает, что обычные характеристики, например йодное число, не могут служить показателем эффективности снижения содержания бромата. Однако для выявления более подходящего для этих целей угля можно использовать перекисное число, служащее показателем каталитической активности.

Рис. 3. Данные исследований в колонне. Данные снижения содержания бромата при использовании активированного угля с усиленными каталитическими свойствами фракции 8 х 30 при времени контакта 30 мин.

Данные для реальных приложений

Исследования на основе данных, полученных в дифференциальном реакторе, полезны для определения скорости реакции, однако для проверки этих данных необходимы полномасштабные испытания в реальных условиях. Результаты исследований получены в маломерной колонне типа RSSCT. Результаты испытаний изначально были предназначены только для метода адсорбции на угле, поэтому они не могут быть пригодны в полной мере для приложений, в которых, помимо адсорбции, действуют другие методы удаления, например, окисление или ионообменный процесс.

Данные, приводимые в соответствующих публикациях, а также данные исследований в дифференциальном реакторе, проводившихся в ходе подготовки этой статьи, показывают, что речь идет о каталитической реакции снижения содержания бромата. Из этого следует вывод, что испытания в колонне RSSCT могут быть не совсем надежными.

Исследования в колонне проводились с частицами угля реального размера при длительности контакта с углем, достаточной для проверки эффективности метода. Так, при измерениях в колонне обеспечивался 30-минутный контакт с углем фракции 8х30 меш с повышенными каталитическими свойствами. Эти измерения показали, что при таких условиях содержание бромата может быть снижено с 110 до 5 ppb (рис. 3).

Выводы

- Данные исследований в дифференциальном реакторе показывают, что реакция с уменьшением содержания бромата имеет линейный характер.

- Такая характеристика активированного угля, как йодное число не может использоваться в качестве индикатора эффективности снижения содержания бромата.

- Каталитическая активность, измеряемая перекисным числом, в некоторой степени может служить показателем эффективности снижения содержания бромата.

- Результаты исследований в колонне показывают, что активированный уголь может использоваться для снижения содержания бромата до приемлемого уровня.

Перепечатано с сокращениями из журнала Watertechnology № 1, 2003.

Перевод с английского Л. И. Баранова.

Техническое редактирование П. П. Дебелого