Фторирование в водоподготовке. Виды фторсодержащих соединений и их характерные свойства

Введение

Фтор – биогенный элемент, один из важных микроэлементов, непосредственно участвующий в обменных процессах организма, например, в формировании костных тканей, усвоение железа, также фтор стимулирует работу иммунной системы. В широком смысле это химический элемент, находящийся в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева в VII группе, в подгруппе галогенов. Обладая наибольшей электроотрицательностью и реакционной способностью, легко вступает при нормальных условиях или повышенной температуре почти со всеми элементами, но на интересуют реакцию с металлами, в результате которых образуются соли. По своей природе F - газ бледно-желтого цвета, 17-й по распространенности в земной коре, в молекулярной форме представляет из себя очень ядовитый газ, в свободном состоянии в природе практически не обнаруживается. Именно его полностью восстановленная форма в виде солей – фторидов, как в физиологии, так и в стоматологии имеют наибольшую ценность и востребованность. Основным источников насыщения организма фтором является питьевая вода.
Фторидные соединения также входят в состав минералов, находящихся в почвах и в горных породах. Вода проходит через них и растворяет эти соединения. Таким путем образуются ионы фторида. В результате малые их количества имеются во всех источниках воды, но в различной концентрации, диапазон которой очень вариативен. Из воды ионы фторида попадают в состав всех пищевых продуктов и напитков
Контролем и нормированием процессов фторирования воды занимаются органы санитарно-эпидемиологической службы, они же определяют целесообразность применения фторирования воды в зависимости от показаний к применению данного метода, а такими является низкое содержание фторид-ионов менее 0,3—0,5 мг/л в питьевой воде и значительная пораженность населения кариесом свыше 25 – 30%.
В данном реферате будет рассмотрен такой процесс, как насыщение питьевой воды фтором в результате применения методики фторирования.


1. Виды фторсодержащих соединений и их характерные свойства
Исходя из гигиенических и технико-экономических требований фтор -содержащий реагент, предназначенный для фторирования питьевой воды, должен обладать такими свойствами как:
1) высоким противокариесным действием при возможно меньшей потенциальной токсичности при передозировке;
2) не содержать ядовитых примесей (солей тяжелых металлов, мышьяка и др.);
3) достаточно высокая растворимость при температуре 0 - 25 °С;
4) отсутствие побочного влияния на процесс водоподготовки;
5) не оказывать негативного влияния на другие процессы обработки воды;
6) минимальные коррозионные свойства;
7) отсутствие дополнительных примесей в виде тяжелых металлов и др.;
8) быть доступным и недорогим.
Фторсодержащий реагент для фторирования воды выбирают в зависимости от заявленных условий. В основном, для фторирования воды применяют различные натриевые и кальциевые соли фтора, кремнефториды натрия, аммония и магния, фтористоводородную и кремнефтористую кислоты, флюрель[1].
Основными фторсодержащими соединениями, используемыми в методе фторирования, являются:
• Натрий кремнефтористый, технический - Na2SiF6;
• Натрий фтористый, технический – NaF;
• Кислота кремнефтористоводородная - H2SiF6;
• Кремнефторид аммония - (NH4)2SiF6.
Характерные свойства:
1. Натрий кремнефтористый, технический - Na2SiF6
Белый негигроскопичный кристаллический порошок, является побочным продуктом суперфосфатного производства, отчего доступен и дешевле других. Кроме того, в техническом Na2SiF6 содержится больше основного вещества, чем в других реагентах (95—98 %), этим и объясняется широкое его применение, что является преимуществом данного реагента, но есть и существенные недостатки, такие как, растворимость Na2SiF в воде плохая и резко уменьшается с понижением температуры, рН растворов кремнефторида натрия — 3,0 — 4,01.
Получение кремнефторида натрия содовым методом основано на реакции:
Na 2CO3+H2SiF6 = Na2SiF6 +CO2 +H2O

При проведении нейтрализации КФВК содой в присутствии сульфата натрия за счет протекания обменной реакции
Na2SO4+H2SiF6 = Na2SiF6 +H2SO4.

2. Натрий фтористый, технический – NaF
Негигроскопичнен, высокое содержание основного вещества до 97% в техническом продукте до 80%. Реагент относительно хорошо растворим в воде 42 г/л при 25°С; стандартно готовят 1—2 %-е растворы, рН которых составляет 7,5— 8,5.
Отрицательным является то, что концентрированные растворы фторида натрия в жесткой воде имеют склонность к образованию малорастворимых солей, засоряющих емкости и трубы коммуникаций.
В промышленности существует способ получения фторида натрия из кальцинированной соды (карбоната натрия) и плавиковой кислоты. В результате их взаимодействия с помощью фильтрации удается получать технически чистый продукт:
Na2CO3 + HF → 2NaF + CO2 + H2O.
Ещё фторид натрия получают щелочным гидролизом гексафторсиликатов:

3. Кислота кремнефтористоводородная - H2SiF6
Низкая стоимость, так как является продуктом производства фторосодержащих солей.
Низкое содержание основного вещества 3 – 8%, едкая, дымящиеся жидкость, требует особых требований к работе и соблюдения техники безопасности, при разбавлении водой выпадает осадок2.
Кремнефтористоводородную кислоту получают прямым синтезом из реагентов:
SiF4+2HF=H2[SiF6].

4. Кремнефторид аммония - (NH4)2SiF6
Достаточно высокая растворимость 187,5 г/л при 25°С, низкая стоимость относительно NaF. Высокая слеживаемость.
Требуемая часть КФВК для получения раствора фторида аммония, достаточного для полного перевода примеси диоксида кремния, присутствующего в исходной кислоте, определяется расчетным путем, с учетом концентрации кремнефтористоводородной кислоты и содержания примеси диоксида кремния3.
H2[SiF6] + 2NH(OH)2 = 2(NH4)2SiF6 + 2Н2О.
2. Технология фторирования воды
Под процессом фторирование понимают добавление к питьевой воде соединения, содержащего фтор, для сохранения концентраций ионов фтористых соединений в установленных пределах.
Условия, при которых требуется регулирование содержания фтора в воде, способы регулирования и рекомендации по выбору технологической схемы и реагентов, приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Рекомендации по выбору технологической схемы и реагентов
Содержание фтора в исходной воде
Способ регулирования содержания фтора
Технологическая схема
Реагенты
Примечания
до 0,4 мг/л
Фторирование
Приготовление ненасыщенного раствора в расходных баках, дозирование в воду
Кремнефтористый
натрий

Взаимо-заменямые
методы
до 0,7 мг/л
Фторирование
Приготовление ненасыщенного раствора в сатураторах, дозирование в воду
Фтористый
алюминий,
кремнефтористово-дородная
кислота

Взаимо-заменямые методы
0,4 - 0,7 мг/л
Фторирование
Дозирование в 10% раствор Al(SO4)3 осадка оксифторида магния
Оксифторид
магния

Взаимо-заменямые методы

В технологии фторирования питьевой воды одной из главных задач является дозирование фторсодержащих реагентов.
Дозировка традиционных фторсодержащих реагентов определяются по формуле (1): 

Dф = , (1)
где т - коэффициент, зависящий от места ввода реагента в обрабатываемую воду: перед фильтрами - т =1,1, в чистую воду - т =1,0;
а - необходимое содержание фтора в обработанной воде

. Принимается в зависимости от климатического района 0,7 — 1,2 г/м3; 
ф - содержание фтора в исходной воде, г/м3;
Кф - содержание фтора в чистом реагенте, %;
Сф - содержание чистого реагента в товарном продукте, %.
Вводить фторсодержащие реагенты, как правило, следует в чистую воду перед ее обеззараживанием, поскольку хлорирование воды не удаляет фториды – такой способ становится наиболее эффективным, также допускаетсяВведение

фторсодержащих реагентов перед фильтрами при двухступенчатой очистке воды4.
Разработано несколько технических способов подачи фторсодержащих реагентов в водопроводную воду:
а) дозирование растворов фторсодержащего реагента (насыщенные, неконцентрированные);
б) сухое дозирование фторсодержащего реагента.
Выбор схемы фторирования определяется производительностью водопроводной станции, свойствами используемого фторосодержащего реагента, а также, немаловажным фактором являются экономические аспекты.
Основными элементами в технологии фторирования являются фтораторные установки и средства контроля5.

2.1 Фтораторные установки
Фтораторные установки малой или большой производительности классифицируют на установки сатураторного типа и растворные баки (растворно - расходные баки).
Дозирование растворов фторсодержащих реагентов основано на подаче определенного объема жидкости (рабочего раствора реагента) в единицу времени.
Растворы фторсодержащих реагентов характеризуются кислой средой, принимая это во внимание, оборудование для фтораторных установок и коммуникаций должно соответствовать критериям таким как, например, быть изготовленной из коррозийноустойчивых материалов или иметь защитное покрытие (нержавеющая сталь, разрешенные к применению в практике хозяйственно-питьевого водоснабжения полимерные материалы, эпоксидные смолы и т.д.).
Растворы фторсодержащих реагентов должны готовиться на обеззараженной водопроводной воде или на артезианских водопроводах, не нуждающихся в обеззараживании воды, потому как на исходной водопроводной воде непосредственно происходит приготовление растворов6.
Насыщенные растворы фторсодержащего реагента приготавливают на установках сатураторного типа. Чаще других ее применяют для изготовления малорастворимого кремнефторида нат­рия. В основу работы установки этого типа положен принцип объемного вытеснения. Исходная водопроводная вода в определенном объеме, проходя через слой насыщенного раствора реагента в таком же объеме, вытесняет его. Количество исходной воды, поступающей в установку, и, следовательно, количество насыщенного раствора реагента, подаваемого в водопроводную воду, регулируется автоматически в зависимости от производительности водопроводной станции. Пневмотранспортом под вакуумом реагент один раз в 5—7 сут. загружается в сатуратор.
Реагент Na2SiF6 посредством вакуумной системы, состоящей из вакуум – бункера, фильтра, вакуум-насоса и трубопроводов для подачи реагента, и выпуска воздуха, подается через вакуум – бункер (порошок Na2SiF6 в вакуум - бункере оседает вниз) и секторный питатель для приготовления насыщенного раствора. Из системы внутреннего водопровода вода через регулирующий вентиль попадает в нижнюю часть сатуратора, оттуда через слой реагента, тем самым вытесняя образовавшийся, близкий к насыщению реагентный раствор. В сатураторе за счет барботаж – компрессора удается полностью использовать порошок Na2SiF6. Вода поступает в сатуратор через бачок постоянного уровня тем самым обеспечивая стабилизацию расхода реагента. Функцию автоматического поддержания количества подающейся в сатуратор воды берет на себя регулирующий вентиль. К месту дозировки насыщенный раствор Na2SiF6 подводится через сборную систему из перфорированных труб. Отвод же насыщенного раствора из сатуратора и количество поступающей в сатуратор воды контролируются ротаметром.
Конструкция установки исключает возможность выноса частиц фторсодержащего реагента в водопроводную воду, для предотвращения этого здесь предусмотрен фильтр. Нерастворимый осадок периодически сбрасывается в канализацию7.
Схема, применяемая при приготовлении насыщенного раствора реагента, приведена на рис. 1:


Рис. 1 - Схема приготовления фторсодержащего раствора:
1- бачок постоянного уровня; 2-вакуум-бункер; 3-фильтр; 4-вакуум-насос; 5- ввод раствора фторреагента; 6-ротаметр; 7-тара с реагентом; 8-компрессор; 9- вентиль для регулировки загрузки реагента; 10-секторный питатель; 11-сатуратор; 12-регулирующий вентиль

Производительность сатуратора по насыщенному раствору определяется по формуле (2): 

QC = , (2)

где Q - производительность водоочистной станции, м3/ч;
n - количество сатураторов, шт.;
pф - растворимость кремнефтористого натрия (принимается в зависимости от температуры воды в пределах 4,3 - 10,3 г/л).
Объем всех сатураторов определяется по формуле (3):
Wc = , м3 (3)

где tc - время пребывания раствора в сатураторе (принимается не менее 5 часов)8.
Приемущество фтораторных установок с растворными баками состоит в том, что они представляются более универсальными, так как имеют широкий диапазон работ на любом фторсодержащем реагенте