Углубленное применение и технический анализ диатомитовых фильтрующих добавок в водоочистной отрасли

1. Обзор диатомитовых фильтрующих материалов и их основное значение в области водоподготовки

Диатомитовые фильтрующие материалы, являясь эффективным и экономичным фильтрующим материалом, занимают важное место в современных проектах водоподготовки. Этот природный пористый материал, образованный отложениями древних диатомовых водорослей, обладает уникальной микропористой структурой и физико-химическими свойствами, что делает его незаменимым ключевым материалом в различных процессах очистки воды. Водоподготовительная промышленность предъявляет чрезвычайно строгие требования к производительности фильтрующих материалов. Диатомитовые фильтрующие материалы способны эффективно удалять взвешенные вещества, коллоиды, микроорганизмы и даже некоторые растворимые органические вещества из водоемов благодаря превосходной точности фильтрации, стабильным химическим свойствам и экономичности, удовлетворяя потребности в очистке воды на различных уровнях.

В процессе водоподготовки диатомитовые фильтрующие материалы в основном используются для очистки питьевой воды, очистки оборотной промышленной воды, глубокой очистки сточных вод на очистных сооружениях и специальной очистки сточных вод. По сравнению с традиционным кварцевым песком, активированным углем и другими фильтрующими материалами, диатомитовые фильтрующие добавки обладают более равномерной структурой пор (распределение размеров пор 0,1–50 мкм), большей удельной поверхностью (1,5–5 м²/г) и более высокой адсорбционной способностью. Диатомитовые фильтрующие добавки для очистки воды обычно требуют прокалки при высокой температуре (800–1200 °C) или химической обработки для повышения их механической прочности, стабилизации фильтрующей способности и снижения содержания растворимых примесей.

2. Основные области применения диатомитовых фильтрующих добавок в системах очистки питьевой воды

Диатомитовые фильтрующие добавки играют важнейшую роль в муниципальных системах очистки питьевой воды. С полным внедрением стандарта GB5749-2022 «Санитарные нормы для питьевой воды» требования к таким показателям, как мутность и содержание микроорганизмов в питьевой воде, стали более строгими, и традиционные методы очистки больше не могут им соответствовать. Диатомитовые фильтрующие добавки позволяют стабильно контролировать мутность сточных вод ниже 0,1 NTU благодаря тонкодисперсной фильтрации, а степень удаления патогенных микроорганизмов, таких как криптоспоридии и лямблии, может достигать более 99%, что значительно повышает биологическую безопасность питьевой воды.

Типичные методы применения диатомитовых фильтрующих добавок в системах очистки питьевой воды включают предварительную фильтрацию и фильтрацию шлама. Намывная фильтрация заключается в предварительном формировании слоя диатомита толщиной 1–3 мм на фильтрующем элементе (например, фильтровальной ткани, сетчатом фильтре). Объём очистки воды обычно составляет 5–15 м³/м²·ч. Фильтрация пульпы заключается в непрерывном добавлении диатомита (обычно 0,1–1,0 г/л) в исходную воду для формирования динамического фильтрационного кека. Сравнительные исследования показали, что система фильтрации с использованием диатомита обладает следующими преимуществами по сравнению с традиционными песчаными фильтрами: точность фильтрации повышается более чем на 50%, объём промывочной воды сокращается на 60–70%, занимаемая площадь уменьшается на 2/3, и система способна эффективно справляться с колебаниями качества исходной воды.

Особенно важно отметить, что диатомит обладает выдающейся эффективностью в условиях внезапного загрязнения воды. При вспышке водорослей и химическом загрязнении сырой воды фильтрующие добавки на основе диатомита способны не только механически задерживать твердые частицы, но и удалять некоторые ионы тяжелых металлов (такие как Pb²⁺, Cd²⁺) и органические загрязнители за счет адсорбции на их поверхностных силанолах. Экспериментальные данные показывают, что адсорбционная способность фильтрующих добавок на основе диатомита после кислотной активации по ионам свинца может достигать 8–15 мг/г, что обеспечивает надежную гарантию аварийного водоснабжения.

3. Очищающий эффект фильтрующих добавок на основе диатомита в промышленных системах оборотного водоснабжения

Промышленные системы оборотного водоснабжения охлаждающей воды уже давно сталкиваются с тремя основными проблемами: образованием накипи, коррозией и ростом микроорганизмов. Фильтрующие добавки на основе диатомита добились значительных результатов в этой области. В крупных системах оборотного водоснабжения в таких отраслях, как энергетика, нефтехимия и сталелитейная промышленность, фильтрующие добавки на основе диатомита эффективно удаляют такие примеси, как взвешенные частицы (<5 мг/л), ржавчина и биошлам, благодаря непрерывной фильтрации, поддерживая чистоту системы и продлевая срок службы оборудования. По сравнению с традиционной фильтрацией в отводном потоке, системы с фильтрующими добавками на основе диатомита занимают меньше места, обладают более высокой степенью автоматизации и более низкими эксплуатационными расходами.

В процессе производства сверхчистой воды в электронной промышленности фильтрующие добавки на основе диатомита служат основным материалом в блоках предварительной очистки, играя решающую роль в защите обратноосмотических мембран и ионообменных смол, расположенных ниже по потоку. Для получения сверхчистой воды полупроводникового класса требуется содержание частиц менее 1 частицы/мл (≥0,1 мкм). Фильтрующие добавки на основе диатомита позволяют постепенно снижать мутность на входе с 10 NTU до менее 0,05 NTU благодаря многоступенчатой градиентной фильтрации (от грубой до тонкой), значительно снижая загрязнение последующих мембранных систем. Фактические эксплуатационные данные показывают, что правильная предварительная обработка фильтрующими добавками на основе диатомита может увеличить циклы очистки мембран обратного осмоса в 2-3 раза и повысить стабильность качества очищенной воды более чем на 30%.

Фильтрующие добавки на основе диатомита демонстрируют уникальные преимущества при очистке технологической воды в пищевой промышленности и производстве напитков. Обработка воды, используемой в пивоварении, например, для осахаривания и мойки бутылок, фильтрующими добавками на основе пищевого диатомита не только удаляет взвешенные частицы и коллоиды, влияющие на вкус, но и эффективно снижает содержание ионов металлов, таких как железо и марганец, предотвращая ухудшение вкуса. Крупный пивоваренный завод продемонстрировал, что использование системы фильтрующего средства на основе диатомита снизило мутность воды для мытья бутылок с 3,0 NTU до менее 0,3 NTU, сократило потери бутылок на 40% и достигло годовой экономии затрат, превышающей один миллион юаней.

4. Инновационное применение диатомитовых фильтрующих материалов для глубокой очистки и повторного использования сточных вод

В условиях растущей проблемы нехватки воды переработка и повторное использование сточных вод стали неизбежным выбором. Диатомитовые фильтрующие материалы продемонстрировали большой потенциал в области глубокой очистки сточных вод. При модернизации и реконструкции городских очистных сооружений диатомитовые фильтрующие материалы используются для замены традиционных песчаных фильтров, что позволяет снизить содержание взвешенных частиц (СВ) во вторичных сточных водах с 20 мг/л до менее 5 мг/л и содержание оксидов азота (ТФ) с 1 мг/л до менее 0,3 мг/л, что соответствует стандарту GB18918-2002 класса A. Что ещё более важно, система с диатомитовым фильтрующим материалом занимает всего 1/4–1/3 площади песчаного фильтра, что особенно подходит для реконструкции старых очистных сооружений с ограниченной площадью.

Для глубокой очистки промышленных сточных вод диатомитовые фильтрующие добавки часто используются в сочетании с коагулянтами, обеспечивая эффективный комбинированный процесс коагуляции и фильтрации. Например, при очистке сточных вод полиграфического и красильного производств, оптимизируя соотношение добавления диатомитового фильтрующего материала к полиграфическому активному веществу (ПАУ) (обычно 1:0,2–1:0,5), можно снизить цветность сточных вод со 100 до менее чем 10 раз, а ХПК — с 80 мг/л до менее чем 30 мг/л. Пористая структура диатомитового фильтрующего материала не только повышает эффективность улавливания хлопьев, но и наличие на его поверхности активных центров может способствовать разложению органических загрязнителей и достижению синергетического эффекта физико-химической очистки.

Мембранный биореактор (МБР) является одной из основных технологий повторного использования сточных вод, однако проблема загрязнения мембран ограничивает его широкое применение. Последние исследования показывают, что добавление диатомитового фильтрующего материала (0,5–2,0 г/л) в систему МБР может сформировать динамический защитный слой на поверхности мембраны и замедлить процесс её загрязнения. Добавление диатомитового фильтрующего материала изменяет характеристики перемешиваемой жидкости, делая распределение частиц шлама более равномерным и уменьшая закупорку пор мембраны мелкими частицами. Инженерная практика показывает, что данная технология позволяет увеличить цикл очистки мембраны системы МБР на 50–100% и снизить энергопотребление на 15–20%.

5. Технологические инновации и тенденции развития диатомитовых фильтрующих добавок

В связи с растущими требованиями к водоочистке технология диатомитовых фильтрующих добавок продолжает развиваться и совершенствоваться. Современные диатомитовые фильтрующие добавки для водоочистки представляют собой полную линейку продуктов, которая в зависимости от технологии обработки подразделяется на природные, прокаленные и флюсовые прокаленные; по точности фильтрации их можно разделить на грубую (10–30 мкм), стандартную (3–10 мкм) и тонкую (1–3 мкм) степень фильтрации. Новый модифицированный диатомитовый фильтрующий добавок дополнительно повышает эффективность и селективность дезактивации за счет нанесения нанооксидов (таких как TiO₂, Fe₂O₃) или органических функциональных групп на поверхность.

В будущем развитие диатомитовых фильтрующих добавок будет демонстрировать следующие тенденции: во-первых, функциональное компаундирование, разработка композитных продуктов с несколькими функциями фильтрации, адсорбции и катализа; Во-вторых, интеллектуальный процесс, реализующий точное регулирование подачи диатомитового фильтрующего материала с помощью онлайн-мониторинга и систем автоматического управления; в-третьих, экологичность и низкая карбонизация, оптимизация производственных процессов для снижения энергопотребления и разработка технологий переработки отходов диатомита; в-четвертых, диверсификация применения, включая такие новые области, как предварительная очистка морской воды, сбор и очистка дождевой воды, очистка воды для аквакультуры и т. д.

Стоит отметить, что сочетание нанотехнологий и диатомитовых фильтрующих материалов открыло новое направление. Благодаря модификации наноматериалов удельная площадь поверхности диатомитовых фильтрующих материалов может быть увеличена в 3-5 раз, а эффективность удаления микрозагрязнителей значительно повышена. В то же время фотокаталитические диатомитовые фильтрующие материалы способны разлагать органические загрязнители под действием солнечного света, реализуя скоординированную обработку «фильтрация + глубокое окисление» и предлагая новые идеи для очистки трудноразлагаемых сточных вод.

6. Заключение

Подводя итог, следует отметить, что диатомитовые фильтрующие материалы, являясь основным фильтрующим материалом в водоочистке, играют незаменимую роль в обеспечении безопасности качества воды, повышении эффективности очистки и снижении эксплуатационных расходов. Диатомитовые фильтрующие материалы применяются на всех этапах водоподготовки: от очистки питьевой воды до очистки промышленных оборотных вод, от глубокой очистки сточных вод до повторного использования специальных сточных вод. Его уникальные структурные характеристики, стабильные химические свойства и высокая экономичность позволяют ему демонстрировать отличную адаптивность и надежность в различных условиях водоподготовки.

В условиях всё более строгих экологических стандартов и растущего спроса на повторное использование водных ресурсов, технологии диатомитовых фильтрующих материалов будут продолжать совершенствоваться и совершенствоваться. При выборе и применении диатомитовых фильтрующих материалов водоочистным компаниям следует научно обоснованно подбирать типы продукции и параметры процесса, исходя из характеристик качества исходной воды, целей очистки и условий эксплуатации, а также создать комплексную систему контроля качества. Оптимизируя синергию между диатомитовыми фильтрующими добавками и другими очистными сооружениями, можно создать более эффективные, экономичные и устойчивые решения по очистке воды, внося больший вклад в защиту и использование водных ресурсов.