СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ИОНОВ ЖЕЛЕЗА Российский патент 1995 года по МПК C02F1/28 C02F1/64 

Изобретение относится к химико-физическим способам очистки вод от железа и может быть использовано на водоочистительных станциях.

Известно использование обработанного катализатора крекинга зауглероженного алюмосиликата для очистки сточных вод от тяжелых металлов [1]
Известен также способ обезжелезивания вод в напорных фильтрах, включающий аэрацию воды воздухом или кислородом (для перевода Fe²⁺ в Fe³⁺), последующее пропускание ее через натрий-катионитный фильтр II ступени, заполненный сульфоуглем для удерживания аморфного осадка гидрата окиси железа. При этом на 1 мг Fe²⁺ расходуется 0,143 мг О₂. Аэрированную воду пропускают со скоростью 25 м³/ч; высота слоя сульфоугля должна быть 1,3 м.

Химизм процесса очистки может быть выражен уравнением:
4Fe(HCO₃)₂ + O₂ + H₂O ->>
->>4Fe(OH)₃ + 8CO₂. Промывку фильтра (по отключении установки) осуществляют взрыхлением осадка путем противотока из бака воды (не содержащей Fe) с интенсивностью 4 л/см² в течение 20-25 мин [2]
Недостатки прототипа:
нетехнологичность способа, связанная с необходимостью пеpиодического (1-2 раза в сутки) отключения фильтровальной установки (при показаниях напора в слое загрузки порядка 9,81 н/м² (10 мм рт.ст.), для промывки фильтра, т.е. сложность технологии;
быстрое изнашивание водопроводных труб из-за их ржавления под действием растворенного в аэрированной воде кислорода, и, как результат, вторичное попадание Fe в водопроводную воду, теперь уже из труб, т.е. после очистки;
большой расход чистой воды на отмывку и образование большого количества загрязненных железом сточных вод.

Цель изобретения упрощение технологии очистки за счет увеличения интервала между сменой или регенерацией фильтров.

Поставленная цель осуществляется способом, по которому очищаемая вода, освобожденная от механических примесей, подается на фильтры, заполненные углеродминеральным адсорбентом. По мере насыщения адсорбента ионами железа снижается эффективность очистки, и когда их остается в воде выше ПДК, фильтр отключается (или удаляется) на регенерацию. Последняя осуществляется путем заполнения фильтра с сорбентом 1 М раствором щавелевой кислоты в объеме сорбента, выдерживается 1 ч, промывается водой, после чего нейтрализуется раствором соды (карбонатом или бикарбонатом натрия).

В процессе пропускания очищаемой воды адсорбируются ионы Fe и др. ионов тяжелых металлов (Cu²⁺, Mn²⁺ и др.). Адсорбент представляет собой минеральную основу (оксид Al, природная глина и др.), покрытую сверху активированным углеродом.

Отличительные признаки от прототипа:
на фильтр подается вода, освобожденная лишь от механических (взвешенных) примесей (по известному воду предварительно аэрируют воздухом или О₂);
фильтры заполняют углеродминеральным сорбентом, представляющим собой гранулированную (D 0,4-1,5 мм) минеральную основу, изготовленную на основе природной глины, или оксида Al, покрытую сверху активированным углем (в известном фильтр заполняется сульфоуглем).

Исследования степени удаления ионов Fe(II) из водных растворов проводились двумя способами: статическим и динамическим.

П р и м е р 1. 1 г углеродминерального адсорбента, содержащего 5% углерода заливался 5 мл воды с известной концентрацией в ней железа (II), оставлялся при комнатной температуре на 20 ч. Затем определяли остаточную концентрацию ионов железа (II) (после завершения адсорбции) по методике (ГОСТ 4011-72) с использованием 1,2-фенантролина спектрофотометрически. Предварительно строится калибровочный график зависимости оптической плотности от концентрации ионов Fe (II) в растворе, при длине волны λ= 515 нм, в кварцевых кюветах 1 см относительно воды. По разнице содержания Fe до и после адсорбции определяли величину равновесной удельной адсорбции Fe(II) на 1 г адсорбента. Результаты приведены в таблице.

Величина предельной статической адсорбционной емкости (при однократном контакте раствора с адсорбентом в течение 20 ч составила ≈5 мг Fe на 1 г адсорбента.

П р и м е р 2. Для определения динамической емкости проводилась последовательная адсорбция на одну и ту же порцию адсорбента (углерода в нем 5%) 2 г) из раствора соли Мора с концентрацией Fe(II) 300 мг/л до полного насыщения, т. е. концентрация исходного раствора практически не изменялась после контакта с адсорбентом. Из проведенных 120 опытов последовательного адсорбирования было установлено, что предельная сорбционная емкость составляет 68,03 мг/г адсорбента (6,8%).

П р и м е р 3. Для определения минимально необходимого времени контакта очищаемой воды с адсорбентом (углерода 5%), которое является основным параметром при осуществлении динамической адсорбционной очистки, был использован безградиентный метод количественной оценки скорости адсорбции. Метод заключается в циркуляции раствора, содержащего известную начальную концентрацию Fe²⁺, через стационарный слой адсорбента. Через определенные промежутки времени отбирали пробы циркулирующего раствора и определяли содержание в нем Fe²⁺ по стандартной методике. Циркуляция продолжалась до полной очистки от Fe (менее ПДК). Затем вновь заполняли систему раствором Fe²⁺ с той же начальной концентрацией и проводили следующий цикл очистки на этой же загрузке адсорбента.

На чертеже приведена зависимость концентрации Fe²⁺ от времени циркуляции раствора через адсорбент.

Степень удаления железа 98-99% достигается в течение 15-30 мин. Поэтому время контакта в течение 15 мин является минимально необходимым для эффективной очистки.

На чертеже обозначено: ^. цикл 1, Δ- цикл 2, х цикл 3, о цикл 4.

П р и м е р 4. По условиям примера 3 берут углеродминеральный адсорбент, содержащий 12% углерода. Степень удаления Fe²⁺ 99% достигается в течение 50-60 мин, т.е. время контакта несколько удлинилось (против 15 мин).

П р и м е р 5. По условиям примера 3 берут адсорбент, содержащий 3% углерода. Степень удаления Fe²⁺ 99% достигается за 15 мин.

П р и м е р 6. По условиям примера 2 берут углеродминеральный адсорбент, содержащий 2% углерода. Предельная адсорбционная емкость составила 3,5%
П р и м е р 7. Регенерация адсорбента. Отработанный, т.е. насыщенный железом адсорбент контактируют с 1 М раствором щавелевой кислоты в течение 20 ч, затем промывают 10-15 объемами чистой воды с последующей нейтрализацией поверхности адсорбента раствором питьевой соды или карбоната натрия. Для проверки адсорбционной способности регенерированного указанным способом адсорбента, его использовали для очистки воды, содержащей железо по условиям примера 2. Емкость адсорбента практически не изменилась (6,0%).

Использование углеродминерального адсорбента с различным содержанием углерода на поверхности основы из природных глин или оксида Al позволяет:
повысить глубину очистки вод от Fe²⁺ до 0,1 мг/л (при ПДК 0,3 мг/л);
упростить технологию очистки вод за счет обеспечения возможности более длительной работы без остановок на очистку и регенерацию фильтров в течение нескольких месяцев (по известному 1-2 раза в сутки);
способ предотвращает ржавление труб, т.к. нет необходимости в аэрации воды (в известном воду аэрируют для перевода Fe²⁺ в Fe³⁺);
при проведении регенерации адсорбента по заявленному способу получают железный концентрат, который может быть квалифицированно утилизирован без образования загрязненных Fe сточных вод (в отличие от прототипа).

Использование: на водоочистительных станциях. Удаление из воды железосодержащих соединений осуществляют адсорбцией ионов железа. В качестве адсорбента используют углеродсодержащий адсорбент, представляющий собой минеральную основу из природной глины или оксида алюминия с углеродным покрытием. Отработанный адсорбент регенерируют путем обработки щавелевой кислотой, промывают водой. После этого доводят поверхность адсорбента слабощелочным раствором до нейтральной. 1 ил. 1 табл.

СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ИОНОВ ЖЕЛЕЗА, включающий ее контактирование с сорбирующим материалом, отличающийся тем, что в качестве сорбирующего материала используют углерод-минеральный сорбент, представляющий собой зауглероженную природную глину, после контактирования сорбент регенерируют путем обработки 1 М раствором щавелевой кислоты и промывают последовательно водой и раствором карбоната или бикарбоната натрия.