СПОСОБ ОЧИСТКИ РАСТВОРОВ ОТ ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 1995 года по МПК C02F1/46 

Изобретение относится к электрохимической обработке высокоминерализованных растворов и может быть использовано для очистки технологических сточных вод при добыче полезных ископаемых способом подземного выщелачивания, а также в системах водоснабжения.

Известен способ очистки жидкостей от твердых частиц путем их пропускания через гранулированные фильтры [1]
Недостатком такого способа является быстрое загрязнение гранулированного фильтра и его низкая эффективность при фильтровании тонких взвесей. Устранение загрязнения фильтра решается путем применения встряхивающих и деформирующих загрузку фильтра устройств. Например, для увеличения грязеемкости фильтра используют загрузку из упругих гранул. Но задача по фильтрованию (выделению из раствора) тонких взвесей в данном случае не решена. Например, фильтр длиной 1 м с размером гранул 2 мм пропускает через себя 70% взвесей размером менее 1 мкм, а применение гранул меньшего размера увеличивает гидравлическое сопротивление фильтра и затраты на перекачку растворов.

Следует отметить, что размер в 1 мкм и менее имеют глинистые частицы, присутствующие в песчано-глинистых пластах в большом количестве: от 1 до 20% по весу.

При подземном выщелачивании химически агрессивные водные растворы кислот или щелочей растворяют цементирующие частицы в песчано-глинистых породах, при этом начинается активный вынос из пласта мелких глинистых частиц с раствором, поступающим из откачных скважин. Концентрации глинистых частиц в растворах ПВ достигают от 20 до 200 мг/л. Далее раствор после доукрепления поступает в закачные скважины, глинистые частицы выпадают в фильтрах скважин, снижая их приемистость в несколько раз. Для поддержания приемистости с помощью прочисток в год затрачивается от 30 до 50% стоимости скважин. Предварительное отстаивание растворов перед закачкой, как правило, эффекта не дает, так как частицы размером в 1 мкм и менее практически не оседают под действием силы тяжести.

Известен способ очистки растворов путем их фильтрования через гранулированный электропроводный материал (например, железные опилки, стружки) [2] При пропускании постоянного электрического тока через систему электропроводный материал раствор за счет анодного растворения в раствор переходят ионы железа и коагулируют тонкие взвеси. Данный способ позволяет эффективно очищать раствор от тонких взвесей.

Однако при этом изменяется химический состав растворов, что во многих технологических процессах при многократном использовании оборотных растворов недопустимо.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ электрокоагуляционной очистки растворов путем подачи их в зазор между сетчатыми анодом и катодом, расположенными вертикально друг под другом, причем катод расположен выше анода под некоторым углом к потоку [3] Помимо электрофоретического осаждения глинистых частиц, заряженных, как правило, отрицательно и движущихся поэтому к аноду, в данном способе обеспечивается соударение и взаимодействие частиц на электродах, что способствует их коагуляции, т.е. укреплению и быстрому осаждению из раствора под действием собственного веса.

Однако данный эффект при применении прототипа незначителен, поскольку площадь электродов относительно мала и частицы не успевают провзаимодействовать между собой на материале сеток. В оценочных экспериментах количество провзаимодействовавших частиц в схеме очистки по прототипу не превышало 5-10% от общего их числа. Но правомерность такого подхода к выделению тонких взвесей из минерализованных растворов подтверждается, например, теорией коагуляции Дерягина-Фервея-Овербека-Ландау. По этой теории, чтобы частицы скоагулировали, их нужно сблизить на достаточно близкое расстояние, на котором преобладают силы межмолекулярного притяжения, преодолев потенциальный барьер, созданный электростатическими силами отталкивания и расклинивающим давлением связанной воды. Сетчатый электрод, задерживая даже на короткое время частицы из раствора, способствует соударению этих частиц с движущимися в потоке частицами, обладающими кинетической энергией. В тех случаях, когда их кинетическая энергия мала, чтобы преодолеть потенциальный барьер, важную роль играет добавочная энергия электрического поля, но на 1-2 электродах количество соударений мало и, как отмечалось выше, не охватывает более 10% от общего числа частиц.

Таким образом, недостатком прототипа является его низкая эффективность при очистке высокоминерализованных растворов от тонких взвесей. На электродах частицы не успевают скоагулировать, поскольку нельзя применять растворимые аноды, а без дополнительных ионов, поступающих в раствор с электродов, частицы не успевают скоагулировать за счет соударений на электродах, так как площадь электродов мала и они не задерживают достаточное количество частиц. К тому же, частицы в потоке не обладают достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть потенциальный барьер, обусловленный электростатическими силами отталкивания (частицы, как правило, имеют одноименные заряды) и расклинивающим давлением связанной воды на поверхности частиц.

Кроме того, возможность создания достаточных напряженностей электрического поля ограничена потенциалом электрохимического разложения раствора в 1,6-1,8 В. При использовании прототипа таких потенциалов для очистки растворов недостаточно, а при использовании больших потенциалов начинается электролиз растворов с выделением газов, которые взмучивают осадок и сводят на нет полученный эффект.

При низких потенциалах скорость электрофоретического осаждения частиц от анода к катоду очень мала и, как правило, много меньше скорости движения очищаемой жидкости. Измеренные в лабораторных условиях величины электрофоретической скорости движения глинистых частиц в промрастворах ПВ при напряженностях электрического поля 0,5, 1,0 и 2,0 В/см составили соответственно 0,32˙10^-2, 0,68˙10^-2 и 1,37˙10^-2 см/ч. При таких небольших скоростях значительная доля частиц успевает проскочить анод и катод без взаимодействия и раствор при этом очищается неэффективно.

Целью изобретения является повышение эффективности очистки растворов путем изменения структуры потока в зазоре между электродами, обеспечения оптимального числа соударений между частицами и создания высоких локальных потенциалов в материале электродов, не разлагающих растворов, но обеспечивающих эффективную коагуляцию частиц.

Для этого в способе очистки растворов с применением сетчатых анода и катода и пропусканием электрического тока раствор подают не в зазор между анодом и наклонным катодом, а пропускают последовательно через сетчатый анод и катод. Для увеличения числа соударений частиц между собой в пространство между катодом и анодом помещают нерастворимый в очищаемой среде, гранулированный электродный материал, обладающий достаточным количеством сколов и граней для создания высоких локальных напряженностей электрического поля. С целью увеличения эффективности очистки через гранулированный материал пропускают постоянный электрический ток плотностью от 20 до 50 А/м², при этом на гранях и сколах материала при относительно малых напряженностях создаваемого между электродами поля будут возникать неоднородности электрического поля в сторону его увеличения, особенно сильно выраженные при степени угловатости гранул в пределах от 200 до 400 м^-1. Угловатость определяют по формуле
Y P_p/S, где Р_р периметр ребер зерна;
S поверхность зерна.

В предлагаемом способе осуществляют последовательное пропускание раствора через сетчатые анод и катод, между которыми находится нерастворимый гранулированный электропроводный материал со степенью угловатости 200-400 м^-1, в совокупности с пропусканием постоянного электрического тока плотностью от 20 до 50 А/м² и последующим отстаиванием скоагулированных частиц.

Использование этого признака в совокупности с известными приводит к повышению степени очистки высокоминерализованных растворов от тонких взвешенных частиц.

На фиг.1 представлена схема реализации предлагаемого способа, вид сверху; на фиг.2 то же, вид сбоку.

В отстойнике 1 на некотором расстоянии от всасывающего коллектора 2 устанавливаются сетчатые анод 3 и катод 4, которые соединяют с источником 5 постоянного тока. Пространство между электродами заполняется колотым и отсеянным графитом 6. Распределенный всасывающий коллектор 2 необходим для ламиниризации потока растворов с тем, чтобы растворы фильтровались через весь объем засыпки равномерно. Технологические растворы 7 попадают в отстойник 1, при этом тонкодисперсные, не успевшие осесть в отстойнике фракции достигают гранулированной засыпки, где под действием неравномерного электрического поля, обусловленного сложной геометрией порового пространства засыпки, происходит электрокоагуляция тонких глинистых частиц. Скоагулированные агрегаты частично осаждаются в межэлектродном пространстве, а другая их часть в пространстве между катодом 4 и коллектором 2.

По предлагаемому способу были проведены лабораторные исследования, результаты которых сведены в табл. 1 и 2.

По данным электронно-микроскопических исследований механических примесей, прошедших через гранулированную засыпку, отмечено их 2-3-кратное увеличение в размере по сравнению с первоначальным, что и способствовало их быстрому выпадению из раствора на дно отстойника.

Использование предлагаемого способа позволит повысить степень очистки растворов от тонких взвесей, сократить число чисток технологических скважин и уменьшить загрязненность полигонов ПВ токсичными растворами.

Использование: изобретение относится к электрохимической обработке растворов и может быть использовано для очистки технологических сточных вод при добыче полезных ископаемых способом подземного выщелачивания, а также в системах водоснабжения. Сущность изобретения: сточную воду, содержащую взвешенные вещества, отстаивают. Затем фильтруют через гранулированный графитовый материал со степенью угловатости 200-400 м^-1, помещенный между катодом и анодом. Плотность тока поддерживают в пределах 20-50 А/м². После фильтрационной электрообработки перед сливом раствор отстаивают. 2 ил., 2 табл.

СПОСОБ ОЧИСТКИ РАСТВОРОВ ОТ ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ, включающий отстаивание и электрообработку раствора в пространстве между катодом и анодом, установленных в зоне слива, отличающийся тем, что, с целью увеличения степени очистки, электрообработку ведут в пространстве между анодом и катодом, заполненном гранулированным графитовым материалом со степенью угловатости 200 400 м^-1, при плотности тока 20 50 А/мм² с последующим отстаиванием.