СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ Российский патент 1998 года по МПК C02F1/28 B01J20/04 

Изобретение относится к области очистки воды для хозяйственно-питьевых целей, в частности очистки поверхностных и подземных вод от ионов металлов.

Известно, что подземные и поверхностные водоисточники в значительной мере загрязнены ионами металлов, имеющих природное или техногенное происхождение. Например, подземные воды питьевого назначения в большинстве имеют повышенное содержание ионов железа и марганца, поверхностные воды содержат более широкий спектр металлов, например медь, никель, цинк, алюминий и т.п., в основном техногенного характера.

Известны способы обезжелезивания и деманганации подземных вод упрощенной аэрацией и фильтрованием [1], в которых воду путем аэрации насыщают кислородом воздуха и затем подвергают фильтрованию через зернистую загрузку. В качестве зернистой загрузки используют инертные материалы (щебень, кварцевый песок, керамзит) в естественном или модифицированном состоянии. Например, для железа зерна загрузки предварительно модифицируют растворами соли железа или марганца.

Недостатками этих способов удаления из воды железа и марганца являются необходимость использования аэрации воздухом или кислородом в количестве, в 2-10 раз превышающем расход воды, что усложняет и удорожает технологическую схему.

Модификация зернистой загрузки осуществляется химическими реагентами, что удорожает процесс очистки и требует дополнительного оборудования.

Большинство известных и используемых методов деманганации воды основаны на окислении присутствующего в воде иона марганца (II) до марганца (III) и марганца (IV), образующих гидроксиды, растворитель которых при pH > 7 меньше 0,01 мг/л [2] . Для окисления используют различные окислители: перманганат калия, озон, хлор и его производные, кислород воздуха. Кроме того, для удаления из воды марганца используют ионный обмен (водород- или натрий-катионирование), для умягчения воды - известково-содовый метод и другие методы (Л. А. Кульский. Теоретические основы и технология кондиционирования воды. Киев: Наукова думка. 1980, 479 с.).

Ионообменный метод позволяет достигнуть глубокого удаления марганца, но поскольку при этом удаляются все катионы, находящиеся в воде, метод экономически себя не оправдывает. Известково-содовый метод применим только для определенного типа воды, так как приводит к увеличению карбонатной жесткости воды и требует дальнейшего умягчения воды, что экономически не выгодно.

Биохимический способ удаления марганца требует особых условий для поддержания жизнедеятельности бактерий, поглощающих марганец. Способ еще мало изучен и широкого применения не получил.

Наиболее близким к предлагаемому является способ очистки грунтовой воды от марганца [3], в котором воду аэрируют, дегазируют и фильтруют в две ступени, используя в качестве фильтрующей загрузки или щебень, или цеолит, или гравий крупностью 3 - 10 мм. Причем на второй ступени загрузку предварительно обрабатывают водой, содержащей двухвалентное железо, до потери напора в слое загрузки 1,0 - 1,5 м при скорости фильтрования 6 - 10 м/ч., а затем - раствором силиката натрия до pH среды в загрузке до 10,0 - 10,5. В качестве воды, содержащей железо, используют железосодержащую грунтовую воду.

К недостаткам известного способа можно отнести сложность технологических схем, необходимость использования различного рода окислителей и растворов, применение модифицированных загрузок.

Техническая задача, решаемая в предлагаемом изобретении - упрощение и удешевление процесса при повышении степени очистки природных вод различного состава. Поставленная задача решается тем, что очистку воды от ионов металла осуществляют путем сорбции, причем, в качестве сорбента используют природный минерал - брусит.

Сорбцию можно осуществлять путем фильтрации через слой сорбента - брусита с крупностью зерен 1,5 - 0,6 мм со скоростью пропускания 2 - 3 м/ч.

Сорбцию также можно осуществлять путем добавления сорбента - брусита в обрабатываемую воду с последующим отделением осадка. При добавлении сорбента в очищаемую воду используют брусит крупностью 0,01 - 0,1 мм в количестве 2 - 3 кг/м³ очищаемой воды и перемешивают 15 - 30 мин.

Брусит - природный минерал класса гидроокислов, Mg(OH)₂ содержит 69% MgO и 31% H₂O. Возможны примеси Fe²⁺ (ферробрусит), Mn²⁺ (манганобрусит), Zn²⁺. Структура сложная. Цвет белый, зеленоватый. Твердость 2,5. Плотность 2400 кг/м³. Сырье для получения магния и его соединений. Известные месторождения на Урале, Кавказе, Сибири, США, Канаде, Италии, Югославии. ОН-групп расположены по закону гексагональной плотнейшей упаковки, а катионы M занимают октаэдрические пустоты послойно, через один слой.

Благодаря своему строению этот материал обладает свойством адсорбировать в своих молекулярных структурах катионы металлов. Высокая эффективность очистки при его применении достигается также за счет сильно развитой поверхности, присущей минералам класса гидроокислов, благодаря которой значительно увеличивается количество активных центров интенсивной адсорбции ионов металлов.

Брусит обладает, кроме того, достаточно высокими физико-механическими свойствами, что позволяет использовать его в качестве фильтрующей загрузки.

Пример 1. Дистиллированную воду с содержанием марганца 1,0 мг/л подвергают очистке фильтрованием в колонке, заполненной бруситом. Крупность зерен загрузки составляла 1,5 - 0,6 мм, высота загрузки 15 см, объем загрузки - 150 см³, скорость фильтрования 2 м/ч.

Пример 2. Естественную подземную воду с содержанием марганца 1,0 мг/л очищали при тех же условиях, что и в примере 1. Результаты очистки по примерам 1 и 2 представлены в табл. 1.

Пример 3. В те же подземную и дистиллированную воды (пример 1-2) добавляли разные количества тонкоизмельченного брусита крупностью 0,01-0,1 мм, перемешивали 15 мин и отделяли взвесь путем фильтрования или отстоем с предварительной обработкой флокулянтом. Результаты очистки воды от марганца представлены в табл. 2.

Пример 4. Дистиллированную воду с содержанием меди 10,5 мг/л очищал при тех же условиях (пример 1).

Пример 5. Дистиллированную воду с содержанием цинка 10,75 мг/л очищали при тех же условиях (пример 1).

Результаты очистки по примерам 4 - 5 представлены в табл. 3.

Из приведенных примеров выполнения и данных анализа следует, что природный минерал - брусит обладает высокими сорбционными свойствами по отношению к ряду металлов и может найти примечание в технологии водоподготовки.

Исследования, проведенные в ИГД СО РАН, доказали высокую эффективность природного минерала брусита в качестве сорбента для очистки воды от ионов металлов. При этом сам брусит не дорогостоящий материал и не требует специальной обработки.

Таким образом, использование брусита позволяет процесс очистки осуществлять значительно проще и дешевле при одновременном повышении степени очистки.

Использование: изобретение относится к области очистки воды для хозяйственно-питьевых целей, в частности очистки повехностных и подземных вод от ионов металлов. Сущность: очистку воды от ионов металлов осуществляют путем сорбции на брусите, либо фильтруя воду через слой сорбента - брусита с крупностью зерен 1,5 - 0,6 мм со скоростью пропускания 2 - 3 м/ч, либо добавляя сорбент брусит в обрабатываемую воду с последующим отделением осадка, при этом предпочтительно использовать брусит крупностью 0,01 - 0,1 мм в количестве 2 - 3 кг/м³ очищаемой воды. 3 з.п.ф-лы, 3 табл.

1. Способ очистки природной воды от ионов металлов путем сорбции, отличающийся тем, что в качестве сорбента используют природный минерал - брусит. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сорбцию осуществляют путем фильтрации через слой сорбента - брусита - с крупностью зерен 1,5 - 0,6 мм, со скоростью пропускания 2 - 3 м/ч. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что сорбцию осуществляют путем добавления сорбента - брусита - в обрабатываемую воду с последующим отделением осадка. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что добавляют сорбент - брусит - крупностью 0,01 - 0,1 мм в количестве 2 - 3 кг/м³ очищаемой воды и перемешивают 15 - 30 мин.