СПОСОБ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД, СОДЕРЖАЩИХ ИОНЫ ЖЕЛЕЗА, ТЯЖЕЛЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ Российский патент 1998 года по МПК C02F1/62 

Изобретение относится к технологии очистки воды и может быть использовано при очистке сточных вод гальванических производств от ионов железа и цветных металлов, при очистке ливневых сточных вод, содержащих кроме ионов железа, тяжелых и цветных металлов взвешенные вещества, органические добавки, а также при подготовке питьевой воды.

Известен способ очистки воды путем обработки коагулянтом с последующим отстаиванием и отделением осадка [1] . В известном способе при очистке сточных вод в качестве коагулянта используют железный купорос, а при очистке питьевой воды - сульфаты или хлориды алюминия. В известном способе при смешении коагулянта с водой протекают реакции гидролиза, в результате которых образуется гидроокись железа (алюминия), обладающая сорбционными свойствами по отношению к ионам металлов, нефтепродуктам и взвешенным веществам. Полученная таким образом гидроокись коагулирует и подвергается осаждению в специальных отстойниках. Образовавшийся шлам поступает на сгущение, а отстоявшийся надосадочный слой подается на фильтр. Основным недостатком известного способа является низкое качество очистки воды от ионов тяжелых и цветных металлов, причиной которого является низкая сорбционная емкость применяемых коагулянтов по отношению к этим ионам. Кроме того, применяемые коагулянты сами по себе являются растворимыми соединениями, что создает дополнительные трудности по их полному извлечению из отработанной воды. Так, кроме значительного остаточного содержания катионов железа и алюминия, увеличивается солесодержание, т.к. анионная составляющая коагулянтов полностью остается в воде, прошедшей обработку по известному способу. Это делает невозможным многократное применение "очищенной воды" в оборотных циклах. При этом при очистке сточных вод требуется большое количество железосодержащего коагулянта, что приводит к образованию больших количеств неутилизируемого шлама. Незначительные отклонения в дозировках приводят к существенному нарушению технологического режима и, как следствие, к проскокам железа (II). Существенным недостатком использования солей железа (II) в качестве коагулянтов является также их высокая коррозионная активность. При подготовке питьевой воды известным способом значительные затруднения возникают из-за сезонных колебаний качества воды и источнике водопользования. В связи с этим далеко не всегда, а особенно при низких температурах удается достичь требуемых по стандарту показателей цветности, мутности, остаточного содержания алюминия, железа, органических соединений и прочих показателей качества питьевой воды.

Задача настоящего изобретения - повышение качества очистки воды за счет увеличения сорбционной емкости реагента при снижении его расходуемого количества, уменьшение солесодержания, расширение возможностей применения способа, а также исключение возможности образования неутилизируемого шлама. Для решения поставленной задачи очищаемую воду обрабатывают 3-10%-ной водной суспензией смеси алкилкарбоксисилоксанов общей формулы

где

Смесь алкилкарбоксисилоксанов приведенной формулы получена реакцией взаимодействия высокодисперсного нерастворимого силиката с органическим модификатором в присутствии катализатора и представляет собой нерастворимую коллоидную структуру (золь) на основе соединений кремния, содержащую в своем составе карбоксильные группы и обладающую развитой поверхностью за счет малого радиуса частиц реагента, обеспечивающих высокую суммарную площадь поверхности частиц.

Наличие карбоксильных групп в составе золя-реагента обусловливают высокую его стабильность при хранении, т.к. они создают высокий отрицательный заряд частиц и препятствуют их агрегации и химическому взаимодействию друг с другом. При введении же реагента в обрабатываемую воду его структура обнаруживает способность к "зольгель" переходу. Причем, карбоксильные группы в первую очередь взаимодействуют с ионами железа, тяжелых и цветных металлов, что приводит к нарушению устойчивости золя и образованию хлопьев с высокой гидравлической крупностью. При этом, благодаря развитой структуре, реагент адсорбирует содержащиеся в воде взвешенные вещества, органические добавки в виде остатков нефтепродуктов, красителей, пестицидов, гуминовых кислот и пр.

Высокая сорбционная емкость реагента позволяет сократить его расход при очистке воды, а отсутствие в структуре реагента ионов металлов и его нерастворимость позволяет не увеличивать солесодержание, не производить корродирующего действия на аппаратуру и трубопроводы и исключить возможность образования неутилизируемого шлама. Благодаря высокой сорбционной емкости реагента, возможности использования способа очистки с его применением широки. Его можно использовать для очистки сточных вод гальванических производств от ионов железа, тяжелых и цветных металлов. Способ эффективен при очистке ливневых сточных вод, содержащих ионы железа, тяжелых и цветных металлов, взвешенные вещества, органические добавки в виде остатков нефтепродуктов, красителей, пестицидов, гуминовых кислот и пр. Причем, в случае очистки сточных вод, содержащих недостаточную для процесса коагуляции концентрацию ионов железа, тяжелых и цветных металлов, обработку реагентом ведут в присутствии катионного флокулянта. При этом отрицательно заряженные частицы реагента взаимодействуют с частицами флокулянта, которые заряжены положительно, и в результате осуществляется эффективная коагуляция, далее последующее отстаивание и фильтрация.

Способ эффективен также при доочистке питьевой воды от органических добавок, например, гуминовых кислот, обработанной алюминийсодержащим или железосодержащим коагулянтом. В этом случае протекают следующие процессы. Как описано в способе-прототипе, при смешении коагулянта с очищаемой водой, протекают реакции гидролиза, в результате которых образуется гидроокись соответствующих металлов Карбоксильные группы реаганта - смеси алкилкарбоксисилоксанов взаимодействуют с ионами металлов этих гидроокисей, осуществляя эффективную коагуляцию. Благодаря развитой структуре реагент адсорбирует содержащиеся в питьевой воде органические добавки, снижая при этом ее цветность и солесодержание за счет уменьшения остаточного количества алюминия или железа. Кроме того, очистка воды реагентом в присутствии коагулянта, за счет улучшения процессов хлопьеобразования, флокуляции и оседания приводит к снижению необходимого для данного процесса расхода коагулянта (например, солей алюминия). При очистке воды заявляемым способом обнаруживаются также следующие положительные явления. При введении реагентов в очищаемую воду значение pH вблизи частиц золя реагента и на их поверхности выше, чем pH водной среды, в которой они диспергированы. Это приводит к тому, что на поверхности частиц золя начинается рост гидроксидов металлов (частично химически связанных с самим реагентом) при pH водной среды значительно более низких, чем это обычно требуется для подобного процесса. Наличие повышенной концентрации ионов гидроксила вблизи поверхности частиц золя способствует облегчению протекания реакций гидролиза солей металлов, что особенно важно для обработки питьевой воды при пониженной температуре и при влиянии других неблагоприятных факторов. Таким образом, очистка питьевой воды путем обработки смесью алкилкарбоксисилоксанов в присутствии коагулянтов позволяет получать устойчивое хлопьеобразование практически в любых условиях.

Пример 1. в лабораторных условиях подвергали очистке модельный раствор, содержащий набор катионов основных цветных металлов, железа и тяжелого металла, приближенный к составу сточных вод гальванических производств. В раствор вводили 40 мг/л 8%-ной водной суспензии смеси алкилкарбоксисилоксанов общей формулы

и перемешивали в течение 15 мин, далее раствор отстаивали в течение 20 мин и фильтровали через бумажный фильтр (красную ленту). Результаты сравнительных испытаний качества очистки в сравнении со способом-прототипом приведены в табл. 1.

Пример 2. Очистке подвергали ливневые сточные воды завода "Уралмаш" (г. Екатеринбург). Базовая технология соответствует способу-прототипу. По предлагаемому способу в стоки вводили 60 мг/л 10%-ной водной суспензии смеси алкилкарбоксисилоксанов общей формулы

и катионный флокулянт марки ВПК-402. Воду перемешивали в течение 15 мин, отстаивали в течение 20 мин и фильтровали через бумажный фильтр. Результаты сравнительных испытаний качества очистки в сравнении со способом-прототипом приведены в табл. 2.

Пример 3. Проводили опытно-промышленные испытания по очистке питьевой воды в условиях фильтровальной станции N 1 (г. Полевской Свердловской обл.) на установке производительностью 50 м/час. Щелочность исходной воды 1,1 экв/л, температура 16^oC. По базовой технологии воду обрабатывают алюминийсодержащим коагулянтом Al₂(SO₄)₃ в количестве 30 мг/л в присутствии флокулянта - полиакриламида в количестве 0,15 мг/л. По новому способу после введения коагулянта Al₂(SO₄)₃ в количестве 20 мг/л вводили 5%-ную водную суспензию смеси алкилкарбоксисилоксанов общей формулы

в количестве 2,0 мг/л. Раствор перемешивали в течение 15 мин, отстаивали в течение 10 мин и фильтровали. Результаты сравнительных испытаний приведены в табл. 3.

Пример 4. Были проведены исследования кинетики формирования хлопьев гидроксида алюминия при очистке питьевой воды, обработанной коагулянтом Al₂(SO₄)₃ без введения реагента - смеси алкилкарбоксисилоксанов и его введением при пониженной температуре обрабатываемой воды, равной 0,5^oC в обоих случаях. Количество реагента Al₂(SO₄)₃ без применения смеси алкилкарбоксисилоксанов составляло 15 мг/л, с применением золя 10 мг/л. В качестве золя использовали 3%-ную водную суспензию смеси алкилкарбоксисилоксанов общей формулы

в количестве 1 мг/л. По результатам исследований построен график зависимости роста хлопьев гидроксида алюминия во времени от наличия или отсутствия в очищаемой воде смеси алкилкарбоксисилоксанов. График приведен на чертеже, где по оси абсцисс отложено время в минутах, а по оси ординат - средний радиус частиц. При этом линия 1 соответствует процессу очистки без введения смеси алкилкарбоксисилоксанов, а линия 2 - процессу очистки с введением смеси алкилкарбоксисилоксанов.

Из графика видно, что в отсутствие золя-смеси алкилкарбоксисилоксанов частицы гидроксида растут медленно и к 20-й мин рост их радиуса практически прекращается, не достигая в среднем размера радиуса более 400 мкм. В присутствии же золя уже к 10-й мин происходит формирование хлопьев радиусом 700 мкм. К концу периода хлопьеобразования этот показатель выходит на отметку 1000 мкм. И это при пониженной температуре.

Таким образом, из приведенных лабораторных и опытно-промышленных испытаний видно, что применение способа очистки с введением 3-10%-ной водной суспензии смеси алкилкарбоксилоксанов позволяет повысить качество очистки воды от ионов железа, тяжелых и цветных металлов (пример 1), повысить качество очистки воды, содержащей вышеуказанные ионы, а также взвешенные вещества и нефтепродукты (пример 2), расширить возможности применения способа, использовав его для очистки питьевой воды, причем при различных неблагоприятных факторах (примеры 3, 4) и при этом снизить солесодержание и сократить количество расходуемого реагента, а также исключить возможность образования неутилизируемого шлама.

Использование: очистка сточных вод гальванических производств, очистка ливневых сточных вод и подготовка питьевой воды. Сущность изобретения: очищаемую воду обрабатывают реагентом с последующим отстаиванием и отделением осадка. При этом в качестве реагента вводят 3 - 10%-ную водную суспензию смеси алкилкарбоксисилоксанов общей формулы


2 з.п. ф-лы, 3 табл.,1 ил.

\ \\1 1. Способ очистки природных и сточных вод, содержащих ионы железа, тяжелых и цветных металлов путем обработки реагентов с последующим отстаиванием и отделением осадка, отличающийся тем, что в качестве реагента вводят 3 - 10%-ную водную суспензию смеси алкилкарбоксисилоксанов общей формулы \\\ 6 $$$ \\\1 где \\\6 $$$ \\\4 $$$ \\\4 или \\\6 $$$ \\\4 $$$ \\\2 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обработку реагентом ведут в присутствии катионного флокулянта. \\\2 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку реагентом ведут в присутствии коагулянта, содержащего ионы железа или алюминия.