СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ Российский патент 1997 года по МПК C02F1/28 B01J20/34 

Изобретение относится к области технике, в частности к способам получения очищенной воды, и может быть использовано для очистки воды на фильтровальных станциях, в фильтрах индивидуального и коллективного пользования, при приготовлении минеральных вод, настоек, вин, пива и др.

Известен способ удаления органических примесей из воды с концентрацией 100 мг/л на активном угле /1/. Согласно этому способу воду пропускают через слой гранулированного активного угля. Степень очистки воды в этом процессе достигает 70%
По другому способу концентрирование воды проводят с порошкообразным углем с размером частиц 1-100 мкм (лучше 10 мкм), что позволяет достигнуть большей степени очистки.

После контактирования с водой уголь сепарируют и регенерируют путем нагрева до 415^oC в течение 20 мин. Очищенную воду фильтруют от угольной пыли, пропуская через мембранный фильтр с размером отверстий 0,45 мкм.

Применение активных углей позволяет в ряде случаев очистить и использовать для питья воды, считавшиеся ранее для этой цели совершенно непригодными. Так, в штате Калифорния (США) водоснабжение одного из районов осуществляется из озера Качума /2/. Вода этого озера обладает привкусами и запахами биологического происхождения. В процессе транспортирования воды по тоннелю длиной 10 км в результате инфильтрации грунтовых вод и насыщения газами наблюдается дальнейшее ухудшение ее качества.

Разработан способ очистки этой воды, принятый нами за прототип, заключающийся в том, что к воде, выходящей из тоннеля, добавляют мелкодисперсный активный уголь в количестве 5 10 мг/л при времени контактирования до 1 ч. Контактированием с углем удается полностью устранить привкусы и запахи воды. Удаление частичек угля из воды производят фильтрованием или другими методами. После контактирования с водой уголь подвергают термической регенерации путем его нагрева до 415^oC в течение 20 мин. Потери угля при регенерации составляют около 15% от загрузки.

Недостаток этого способа заключается в его ограниченном применении, связанном с устранением привкуса и запаха воды. Вредные неорганические катионы и анионы (нитраты, нитриты, алкилсульфонаты, цинк, железо, NH+4

, F^-, марганец, медь, остаточный хлор, сульфаты и др. из воды не удаляются. Нитриты, нитраты, алкилсульфонаты, марганец и др. являются токсичными соединениями и их присутствие в воде значительно ухудшает ее качество. Присутствие указанных выше примесей понижает время хранения воды, способствует выпадению осадков, уменьшению степени водной вытяжки чая, женьшени и др. что обусловлено низкой растворяющей способностью воды и ее активностью.

Активный уголь содержит полимерную пленку карбен-карбоидов, являющуюся результатом полимеризации канцерогенных ароматических соединений на его поверхности по технологии термического получения. При использовании такого угля токсичные ароматические вещества постепенно переходят в воду, значительно ухудшая ее качество. Активный уголь, как промышленный продукт, не содержит полезных неорганических веществ, которые бы способствовали минерализации воды и улучшению ее качества. В связи с этим, применение активного угля не позволяет регулировать степень минерализации воды и получать лечебные минеральные воды. Кроме того, при термической регенерации теряется значительная часть угля /до 15%/, что значительно увеличивает себестоимость процесса очистки воды. Стоимость 1 т активного угля равна 7,4 миллиона руб. /в ценах на январь 1995 г./. Примеси, адсорбированные на активном угле, при регенерации загрязняют окружающую среду, так как способы их утилизации отсутствуют, а технология не является безотходной.

Задачей изобретения является очистка воды от различных соединений: нитритов и нитратов, алкилсульфонатов, цинка, железа, NH+4

, F^-, марганца, меди, остаточного хлора, сульфатов и др. повышение времени хранения воды, ее растворяющей способности и активности, получение лечебных минеральных вод, устранение токсичности сорбентов, повышение степени их регенерации и создание экологически чистой безотходной технологии.

Это достигается тем, что в способе очистки воды от примесей путем ее контактирования с углеродминеральным сорбентом с последующей его термической регенерацией, воду пропускают через слой скрытокристаллического графита, включающего, мас.

Углерод 96,80 10,00
SiO₂ 1,63 29,80
Al₂O₃ 0,87 25,20
Металлы 0,70 35,00
c размером частиц 0,30 4,00 мм со скоростью 0,05 2,5 л/кг•ч.

Сорбент регенерируют обработкой водой с температурой 95 100^oC при объемном соотношении вода/сорбент ≥ 3 4, твердую и жидкую фазу разделяют, сорбент сушат нагревают до 150 300^oC, охлаждают и снова используют.

Сорбент регенерируют обработкой кипящей водой, нагретой до 95 - 100^oC. При контакте с горячей водой адсорбированные на поверхности сорбента примеси /анионы и катионы/ переходят в водную фазу. Объемное отношение вода/сорбент должно быть не менее 3. Уменьшение этого отношения ниже 3 снижает количество десорбированных соединений /степень регенерации сорбента/. После отделения сорбента от жидкой фазы /воды/ его сушат при температуре 105 120^oC, а затем нагревают до 150 300^oC. При нагревании сорбента с его поверхности удаляются более прочно адсорбированные вещества вода, СО₂ и др./. При температуре нагрева сорбента ниже 150^oC адсорбированные вещества не удаляются в полной мере, а при температуре 300^oC их десорбция проходит практически полностью.

Нижний предел содержания кристаллического углерода /графита/ в сорбенте составляет 10% и определяется количеством сандвичевых соединений углерода с металлами, от концентрации которых зависит его адсорбционная способность и склонность к удалению примесей из воды. Верхний предел содержания углерода /96,8% / зависит от этого же фактора, поскольку увеличение количества углерода в системе при водит к снижению содержания металлов в образце, увеличению размеров кристаллитов графита /сандвичевых соединений/, уменьшению удельной поверхности.

Введение SiO₂ в структуру графита также приводит к деформации сандвичевых кристаллитов путем ее внедрения в пространство между ними и развитию поверхности. Нижний предел содержания в графите равен 1,63% а верхний 29,80% Увеличение количества SiO₂ в кристаллическом графите выше 29,8% уменьшает поверхность сорбента и его активность. Аналогичную роль играет Al₂O₃ в графите. Он также деформирует сандвичевые кристаллиты графита и приводит к увеличению поверхности образца и его способности к очистке воды. Нижний предел содержания Al₂O₃ в графите равен 0,87, а верхний 25,2%
При содержании металла 35% в составе сорбента его поверхность достаточно высока. Уменьшение количества металла в составе сорбента ниже 0,70% понижает его поверхность. Это обусловлено тем, что металл образует с кристаллитами графита сандвичевые соединения, способствующие резкому увеличению поверхности.

Размеры частиц сорбента при очистке воды равны 0,30 4,0 мм. Уменьшение размеров частиц сорбента ниже 0,3 мм значительные увеличивает сопротивление слоя водному потоку, а повышение размеров частиц выше 4 мм уменьшает время контакта примесей воды с сорбентом и степень ее очистки.

Уменьшение объемной скорости воды ниже 0,05 л/кг•ч уменьшает производительность установки при ее очистке, а увеличение объемной скорости воды выше 2,5 л/кг•ч понижает степень очистки воды вследствие уменьшения времени контакта с сорбентом.

Пример 1. Водопроводную воду г.Екатеринбурга, имеющую следующую характеристику:
Цветность в градусах 30
Взвешивание вещества, мг/л 1,5
Мутность, мг/л 1,36
рН 7,1
Щелочность, мг-экв/л 0,92
Общая жесткость, мг-экв/л 2,5
Солевой аммиак, мг/л 0,48
Нитриты, мг/л 0,01
Нитриты, мг/л 1,02
Железо общее, мг/л 0,66
Хлориды, мг/л 10,0
Са⁺², мг/л 28,05
Mg⁺², мг/л 9,12
Сухой остаток, мг/л 169,5
Фтор, мг/л 0,38
Cu⁺², мг/л 0,23
Мn⁺², мг/л 0,117
пропускают через слой скрытокристаллического графита, содержащего, мас.

Углерод 96,8
SiO₂ 1,63
Al₂O₃ 0,87
Металлы 0,70
Железо 0,06
Кальций 0,30
Магний 0,12
Калий 0,02
Натрий 0,01
Марганец, титан и др. Остальное
cо скоростью 0,05 л/кг•ч (высота слоя сорбента 600 мм, объем загрузки 30 л, фракция 0,3 4,0 мм) при температуре 20^oC. После очистки вода имеет следующую характеристику:
Цветность, градусы 18
Взвешенные вещества, мг/л 0,6
Мутность, мг/л 0,8
рН 8,2
Щелочность, мг-экв/л 1,05
Общая жесткость, мг-экв/л 2,30
Cолевой аммиак, мг/л 0,21
Нитриты, мг/л Отс.

Нитраты, мг/л 0,72
Железо общее, мг/л 0,43
Хлориды, мг/л 9,5
Са⁺², мг/л 27,1
Mg⁺², мг/л 8,6
Сухой остаток, мг/л 165,4
Фтор, мг/л 0,33
Cu⁺², мг/л 0,19
Mn⁺², мг/л 0,08
Как видно, в результате очистки на адсорбенте улучшилась цветность воды, уменьшилась мутность, понизилось количество аммиака, нитратов, марганца, железа и др. Вода полностью очистилась от нитритов.

После насыщения сорбент регенерируют обработкой горячей водой, нагретой до 100^oC, при перемешивании при объемном отношении вода/сорбент 4. При контакте с горячей водой адсорбированные на поверхности сорбента примеси десорбируются в водную фазу. После охлаждения смеси до 40^oC cорбент отделяют от жидкой фазы, сушат при 120^oC в течение 60 мин, нагревают до 150^oC, выдерживают при этой температуре в течение 90 мин, затем охлаждают и возвращают в цикл. Степень регенерации сорбента 97,5%
Пример 2. Водопроводную воду г.Екатеринбурга, техническая характеристика которой приведена в примере 1, пропускают через слой скрытокристаллического графита, содержащего, мас.

Углерод 10,0
SiO₂ 29,8
Al₂O₃ 35,0
Железо 14,5
Марганец 0,05
Титан 0,12
Натрий 0,70
Калий 0,80
Кальция 12,3
Магний, медь и др. Остальное
cо скоростью 0,10 л/кг•ч (высота слоя сорбента 200 мм, объем загрузки 5,3 л, фракция 0,3 4,0 мм) при температуре 20^oC. После очистки вода имеет следующие параметры:
Цветность, градусы 15,0
Взвешенные вещества, мг/л 0,50
Мутность, мг/л 0,65
рН 8,4
Щелочность, мг-экв/л 1,12
Общая жесткость, мг-экв/л 2,40
Солевой аммиак, мг/л 0,16
Нитриты, мг/л Отс.

Нитраты, мг/л 0,58
Железо общее, мг/л 0,37
Хлориды, мг/л 9,1
Cа⁺², мг/л 25,6
Mg⁺², мг/л 7,7
Сухой остаток, мг/л 158,2
Фтор, мг/л 0,31
Cu⁺², мг/л 0,15
Mn⁺², мг/л 0,06
Как видно, в результате очистки на адсорбенте уменьшилась цветность воды, мутность, понизилось количество аммиака, нитратов, марганца, железо и др.

После насыщения сорбент регенерируют обработкой горячей водой, нагретой до 95^oC, при объемном отношении вода/сорбент 3. Сорбент отделяют от жидкой фазы, сушат при 105^oC в течение 80 мин, нагревают до 300^oC, выдерживают при этой температуре в течение 60 мин, затем охлаждают и возвращают в цикл. Степень регенерации сорбента 96,4%
Пример 3. Водопроводную воду г. Екатеринбурга, техническая характеристика которой приведена в примере 1, пропускают через слой скрытокристаллического графита, содержащего, мас.

Углерод 78,3
SiO₂ 7,1
Al₂O₃ 6,9
Металлы: 7,7
Железо 3,1
Магний 1,3
Кальция 2,7
Калий 0,20
Натрия 0,16
Марганец 0,01
Титан 0,03
Никель, ванадий, цирконий и др. Остальное
со скоростью 0,7 л/кг•ч /высота слоя сорбента 800 мм, объем загрузки 68 л, фракция 0,3 4,0 мм/ при 20^oC. После очистки вода имеет следующие параметры:
Цветность, градусы 0
Взвешенные вещества, мг/л 0,1
Мутность, мг/л 0,05
Щелочность, ммоль/л 1,68
Общая жесткость, ммоль/л 2,30
Cолевой аммиак, мг/л Отс.

Нитриты, мг/л Отс.

Нитраты, мг/л Отс.

Железо общее, мг/л Отс.

Хлориды, мг/л 8,5
Са⁺², мг/л 23,4
Mg⁺², мг/л 7,1
Сухой остаток, мг/л 151,7
Фтор, мг/л 0,20
Сu⁺², мг/л Отс.

Mn⁺², мг/л Отс.

Как видно, после очистки на адсорбенте в воде отсутствуют: cолевой аммиак, нитриты, нитраты, железо, медь и марганец; цветность воды равна О градусов, значительно уменьшилось количество взвешенных веществ и мутность.

После насыщения сорбент регенерируют в условиях, приведенных в примере 1. После обработки водой и сушки, сорбент выдерживают при температуре 250^oC в течение 70 мин, охлаждают и возвращают в цикл. Степень регенерации сорбента 97,3%
Пример 4. Водопроводную воду г.Екатеринбурга, состав которой приведен в примере 1, пропускают через слой скрытокристаллического графита, содержащего мас.

Углерод 59,5
SiO₂ 14,2
Al₂O₃ 12,9
Металлы: 13,4
Железо 4,9
Марганец 0,016
Титан 0,06
Натрий 0,25
Калий 0,32
Кальций 4,3
Магний 2,0
Никель, ванадий, цирконий, молибден и др. Остальное
со скоростью 0,35 л/кг•ч /высота слоя сорбента 790 мм, объем загрузки 66 л, фракция 0,3 4,0 мм/ при 20^oC.

После очистки вода имеет следующие параметры:
Цветность, градусы 0
Взвешенные вещества, мг/л 0,05
Мутность, мг/л 0
рН 8,6
Щелочность, ммоль/л 1,75
Общая жесткость, ммоль/л 2,20
Cолевой аммиак, мг/л Отс.

Нитриты, мг/л Отс.

Нитраты, мг/л Отс.

Железо общее, мг/л Отс.

Хлориды, мг/л 8,3
Са⁺², мг/л 24,6
Mg⁺², мг/л 7,3
Сухой остаток, мг/л 153,3
Фтор, мг/л 0,25
Cu⁺², мг/л Отс.

Mn⁺², мг/л Отс.

Как видно, после очистки на адсорбенте в воде отсутствуют: cолевой аммиак, нитриты, нитраты, железо, медь и марганец; цветность воды равна 0 градусов, мутность и количество взвешенных веществ близки к 0 мг/л.

После насыщения сорбент регенерируют в условиях, приведенных в примере 1.

Пример 5. Водопроводную воду г.Екатеринбурга, имеющую следующую характеристику:
Цветность, градусы 12
Запах, баллы 1 /15 хлор/
Вкус 1 /ост.хлор/
Мутность, мг/л 0,85
рН 7,4
Щелочность, ммоль/л 1,5
Cухой остаток, мг/л 135,0
Окисляемость, мг О₂/л 5,0
Кальций, мг/л 31,0
Магний, мг/л 11,5
Сульфаты, мг/л 130,0
Хлориды, мг/л 9,9
Железо общее, мг/л 0,17
Аммиак, мг/л 0,90
Нитриты, мг/л 0,004
Нитраты, мг/л 0,80
Марганец, мг/л 0,04
Цинк, мг/л 0,04
Медь, мг/л 0,003
пропускают через слой скрытокристаллического графита, содержащего, мас.

Углерод 85,7
SiO₂ 4,6
Al₂O₃ 5,2
Железо 4,5
Кальций 1,4
Магний, натрий, калий, марганец и др Остальное
со скоростью 2,5 л/кг•ч /высота слоя сорбента 1400 мм, объем загрузки 400 л, фракция 0,3 4,0 мм/ при 20^oC.

В результате очистки на сорбенте получают воду со следующими параметрами:
Цветность, градусы 5
Запах, баллы Отс.

Вкус Отс.

Мутность, мг/л 0,30
рН 8,5
Щелочность, ммоль/л 1,8
Общая жесткость, ммоль/л 2,2
Cухой остаток, мг/л 84,0
Окисляемость, мг О₂/л 1,22
Кальций, мг/л 28,4
Магний, мг/л 10,9
Cульфаты, мг/л 109,5
Хлориды, мг/л 7,1
Железо общее, мг/л Отс.

Аммиак, мг/л 0,06
Нитриты, мг/л Отс.

Нитраты, мг/л Отс.

Марганец, мг/л 0,01
Цинк, мг/л 0,02
Медь, мг/л Отс.

Как видно, в результате очистки на адсорбенте улучшилась цветность воды, исчез запах, уменьшалась мутность, понизилось количество сухого остатка, сульфатов, хлоридов, аммиака, марганца, цинка. Вода полностью очистилась от нитритов, нитритов, меди и железа.

Сорбент регенерируют в условиях, приведенных в примере 2.

Пример 6. Воду ликероводочного завода, г.Екатеринбурга содержащую:
Общая жесткость, ммоль/л 8,4
Карбонатная жесткость, ммоль/л 6,5
Некарбонатная жесткость, ммоль/л 1,9
рН 7,6
Cухой остаток, мг/л 460
Окисляемость, мг О₂/л 1,5
Натрий + калий, мг/л 12
NH₄ ⁺, мг/л 0,1
Кальций, мг/л 86
Магний, мг/л 50
Хлор, мг/л 6
SO-24

, мг/л 103
NO-2, мг/л 0,02
HCO-3, мг/л 400
p^-, мг/л 1,8
Cвободная СО₂, мг/л 13
пропускают через слой скрытокристаллического графита, содержащего, мас.

Углерод 78,3
SiO₂ 6,9
Al₂O₃ 6,7
Металлы: 8,1
Железо 3,4
Кальций 3,1
Магний, натрий, калий, марганец, титан и др Остальное
cо скоростью 2 л/кг•ч /высота сорбента 2700 мм, объем загрузки 2800 л, фракция 0,3 4,0 мм/ при 20^oC. В результате очистки получают воду со следующей характеристикой:
Общая жесткость, ммоль/л 3,8
Карбонатная жесткость, ммоль/л 7,9
Некарбонатная жесткость, ммоль/л 6,1
pН 7,9
Cухой остаток, мг/л 410
Окисляемость, мг О₂/л 1,1
Na + K, мг/л 4
NH+4

, мг/л Отс.

Кальций, мг/л 72
Магний, мг/л 54
Хлор, мг/л 5
SO-24

, мг/л 90
NO-2, мг/л Отс.

HCO-3

, мг/л 380
p^-, мг/л Отс.

Cвободная СО₂, мг/л Отс.

Как видно, после очистки на сорбенте в воде уменьшается содержание Na, K, Сa, SO-24

,HCO-3, сухого остатка. В воде отсутствуют ион NH+4, нитриты, F^-, свободная СО₂, что значительно повышает ее качество.

Сорбент регенерируют при условиях, приведенных в примере 3.

Пример 7. Артезианскую воду г.Екатеринбурга после фильтра со следующей характеристикой:
рН 7,8
Жесткость, ммоль/л 7,3
Щелочность, ммоль/л 7,1
Cолесодержание, мг/л 340
Окисляемость, мг О₂/л 0,90
Кальций, мг/л 5,3
Магний, мг/л 2,2
Марганец, мг/л 0,05
Хлориды, мг/л 6,5
Cульфаты, мг/л 8,8
Нитриты, мг/л 0,1
Нитраты, мг/л 0,6
Cоли аммония, мг/л 0,03
Цинк, мг/л 0,08
Кремневая кислота, мг/л 25
Электропроводность, Ом^-1 • cм^-1 7,5 • 10^-6
пропускают через слой скрытокристаллического графита следующего состава, мас.

Углерод 36,0
SiO₂ 19,8
Al₂O₃ 13,1
Металлы: 31,1
Железо 12,2
Кальций 7,9
Магний 4,7
Натрий 1,6
Калий 3,3
Марганец 0,08
Титан 0,3
Ванадий 0,36
Хром 0,09
Молибден 0,02
Вольфрам 0,03
Кобальт и др. 0,02
cо скоростью 1,8 л/кг•ч /высота слоя сорбента 1600 мм, объем 1000 л/ при 20^oC.

После очистки получают воду, имеющую следующий состав;
рН 8,4
Жесткость, ммоль/л 5,2
Щелочность, ммоль/л 5,1
Cолесодержание, мг/л 270
Окисляемость, мг О₂/л 0,5
Кальций, мг/л 3,8
Магний, мг/л 1,8
Марганец, мг/л Отс.

Хлориды, мг/л 6,2
Cульфаты, мг/л 5,5
Нитриты, мг/л 0,03
Нитраты, мг/л 0,3
Cоли аммония, мг/л 0,05
Цинк, мг/л Отс.

Кремневая кислота, мг/л 0,04
Электропроводность, Ом^-1 • cм^-1 5•10^-6
Cледовательно, после очистки на сорбенте в воде понижается количество солей, содержание кальция, магния, сульфатов, нитритов, нитратов, кремневой кислоты. Имеет место полная очистка воды от марганца, цинка, уменьшается электропроводность воды.

Сорбент регенерируют в условиях, приведенных в примере 1.

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет устранить не только запах и привкус воды, но и извлечь из нее нитриты и нитраты, цинк, железо, аммонийный азот, фтор, свободную СО₂, марганец, медь, сульфаты и др. уменьшить ее цветность, что значительно улучшает качество воды.

Вода, очищенная по предлагаемому способу по сравнению с прототипом имеет более регулярную структуру, связанную с увеличенной подвижностью водорода воды и скоростью его обмена, что является следствием частичного удаления из воды некоторого количества сульфатов, хлоридов, аммонийного азота, кальция, магния, цинка, натрия, калия, меди и др. ограничивающих подвижность водорода воды.

Удаление указанных выше примесей из воды с помощью адсорбента способствует по сравнению с прототипом увеличению времени ее хранения без выпадения осадков, повышению степени водной вытяжки чая, женьшеня, эфирных масел и др. что обусловлено повышением растворяющей способности воды и ее активности.

Степень регенерации активного угля после очистки равна 85% /потери 15%/. Степень регенерации предлагаемого сорбента достигает 96,4 97,5%
Предлагаемый способ намечается к внедрению в различных регионах страны для получения чистой воды.

Изобретение относится к способам очистки воды фильтрованием. Для осуществления очистки воды от примесей ее пропускают через слой скрытокристаллического графита, включающего, мас. %: углерод 96,80 - 10,00, SiO₂ 1,63 - 29,80, Al₂O₃ 0,87 - 25,20, металлы (железо, кальций, магний, натрий, калий, марганец, титан и др.) 0,70 - 35,00, с размером частиц 0,30 - 4,00 мм, со скоростью 0,05 - 2,5 л/кг•ч. Сорбент регенерируют обработкой водой с температурой 95 - 100^oC, твердую и жидкую фазу разделяют, сорбент сушат и нагревают до температуры 150 - 300^oC. 1 з. п. ф-лы.

1. Способ очистки воды от примесей путем контактирования с углеродминеральным сорбентом с последующей его термической регенерацией, отличающийся тем, что воду пропускают через слой скрытокристаллического графита, включающего, мас.

Углерод 96,8 10,0
SiO₂ 1,63 29,80
Al₂O₃ 0,87 25,20
Металлы 0,7 35,0
с размером частиц 0,3 4,0 мм со скоростью 0,05 2,5 л/(кг • ч).

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сорбент регенерируют обработкой водой с температурой 95 100^oС при объемном отношении вода/сорбент ≥ 3 4, твердую и жидкую фазы разделяют, сорбент сушат при 105 - 120^oС, нагревают до 150 300^oС, охлаждают и снова используют.