СПОСОБ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД Российский патент 2001 года по МПК C02F1/28 B01J20/32 C02F1/28 C02F101/20 

Изобретение относится к материалам для очистки сточных вод атомной и радиохимической промышленности, а также природных водных сред от радиоактивных изотопов и обеспечению радиационной безопасности обслуживающего персонала и окружающей среды.

Наиболее широко в качестве сорбента используются высокожелезистые шламы фракции 0,1 мм с содержанием железа до 85 мас.% для очистки воды от ионов стронция Sr²⁺ [1]. Сорбцию проводят в статических условиях при pH 3-8 среды. Равновесное значение сорбции 20-24 ч. Максимальная сорбция ионов Sr²⁺ 0,37 ммоль/т (степень очистки сточных вод составляет 31%).

Недостатком известного способа очистки воды от ионов Sr²⁺ является низкая степень очистки, использование кислых агрессивных сред, высокое время установления сорбционного равновесия, узкий pH интервал применения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ очистки воды от ионов тяжелых металлов, включающий введение в воду сорбента на основе магнетита и пропускание ее через магнитный фильтр с загрузкой из постоянно намагниченных элементов, регенерируемых обратной водовоздушной промывкой. После достижения предельной грязеемкости фильтра перед его регенерацией pH снижают до 3-3,5. Активацию отработанной суспензии осуществляют электрохимическим путем [2].

Недостатком известного способа является невысокая степень очистки сточных вод от двухвалентных радиоактивных изотопов, использование кислых агрессивных сред и сложность технологического цикла очистки.

Изобретение направлено на повышение степени очистки сточных вод и радиационной безопасности отработанных сорбентов на основе железооксидных систем.

Это достигается тем, что в известном способе очистки сточных вод, включающем смешивание железосодержащего сорбента с очищаемой водой, сорбцию до установления сорбционного равновесия, согласно предлагаемому решению в качестве сорбента используют высокодисперсный гематит, модифицированный полиалюмоэтилсиликонатом натрия с соотношением Si/Al = 2,8-3,2, с последующей термообработкой модифицированного сорбента при температуре 150-160^oC в течение 60-70 мин при следующем соотношении компонентов, мас.% (в пересчете на сухой остаток):
Гематит - 90,79 - 95,86
Полиалюмоэтилсиликонат натрия - 4,14-9,21,
причем очистку ведут при температуре сточных вод 20-60^oC, а скорость фильтрации составляет 2-5 м/ч, кроме того, сорбцию ведут при независимых значениях pH среды.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ очистки отличается использованием в качестве сорбента гематита, наличием у сорбента модифицированной полиалюмоэтилсиликонатом натрия поверхности, с соотношением Si/Al = 2,8 - 3,2, термообработкой модифицированного сорбента при температуре 150 - 160^oC в течение 60-70 мин, очистку ведут при температуре сточных вод 20-60^oC, а скорость фильтрации составляет 2-5 м/ч. Кроме того, сорбцию ведут при независимых значениях pH среды. Таким образом, заявляемый способ очистки соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого технического решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области, а именно обработка гематита щелочами, в частности полиалюмоэтилсиликонатом натрия не обнаружена, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "изобретательский уровень".

В качестве железосодержащего сырья используют высокодисперсный гематитовый концентрат Яковлевского месторождения КМА с плотностью 5500 кг/м³ фракции 20-30 мкм, имеющий химический состав, приведенный в табл. 1.

Модификатор полиалюмоэтилсиликонат натрия получают путем обработки широко распространенного в строительстве водного раствора этилсиликоната натрия (ГКЖ-10, ТУ 6-02-696-76), алюминиевой пудрой марки ПАП-1 при соотношении Si/Al = 2,8 - 3,2. В результате химического взаимодействия указанных компонентов происходит образование пространственного металлоолигомера с повышенной молекулярной массой. В процессе получения металлоолигомера установлено впервые, что с увеличением молекулярной массы повышается его сорбционная способность.

В качестве двухвалентных радиоактивных изотопов использованы водные растворы, содержащие изотопы радиоактивного стронция Sr-90 (период полураспада T_1/2 = 28,1 лет, удельная активность A = 152 кБк/кг) широко распространенного не только в атомной и радиохимической промышленности, но и в природных водах (особенно после аварии на Чернобыльской АЭС).

Количественное содержание компонентов предлагаемого и известного сорбентов приведено в табл. 2.

Пример 2. 69,99 г (93,31 мас.%) гематита дисперсностью менее 50 мкм модифицировали путем тщательного перетирания с 17,47 мл (6,69 мас.%) полиалюмоэтилсиликоната натрия (ПАЭСР-3,2) в течение 5 мин. Полученную смесь подвергали термообработке при температуре 150^oC в течение 60 мин. В результате модификации образуется 75 г сорбента. Далее сорбент измельчали до дисперсности частиц исходного гематита.

Сорбент загружали в адсорбционную колонку диаметром 40 мм. Через колонку снизу вверх пропускали 1,5 л раствора температурой 40^oC и pH 2, содержащего радиоизотоп Sr-90 и имеющего активность 152 кБк/л. Удельная активность очищенного раствора 0,76 кБк/л. Степень очистки при скорости фильтрации 2 м/ч составляла 99,5%.

Пример 2. 69,99 г (93,31 мас.%) гематита дисперсностью менее 50 мкм модифицировали путем тщательного перетирания с 17,47 мл (6,69 мас.%) полиалюмоэтилсиликоната натрия (ПАЭСН-3,2) в течение 5 мин. Полученную смесь подвергали термообработке при температуре 150^oC в течение 60 мин. В результате модификации образуется 75 г сорбента. Далее сорбент измельчали до дисперсности частиц исходного гематита.

Сорбент загружали в адсорбционную колонку диаметром 40 мм. Через колонку сверху вниз пропускали 1,5 л раствора температурой 40^oC и pH 12, содержащего радиоизотоп Sr-90 и имеющего активность 152 кБк/л. Удельная активность очищенного раствора 0,76 кБк/л. Степень очистки при скорости фильтрации 2 м/ч составляла 99,5%.

Для получения сравнительных данных параллельно проводились аналогичные эксперименты на других составах сорбента. Результаты испытаний сорбционных свойств от состава сорбентов представлены в табл. 3 и 4 (начальная активность радионуклида Sr-90 в водном растворе составляла 152 кБк/л).

Из табл. 3-4 видно, что предлагаемый способ очистки сточных вод от радиоактивного стронция Sr-90 при температуре водного раствора 20-60^oC и скорости фильтрации 2 м/ч, позволяет повысить степень очистки воды в 2,2-2,3 раза по сравнению с известным способом.

Зависимость степени очистки водного раствора от радиоактивного Sr-90 при соотношении Si/Al в модификаторе приведена в табл. 5 (с активностью Sr-90 152 кБк/л).

Из табл. 5 видно, что наиболее высокая степень очистки воды от радиоактивного стронция Sr-90 достигается при соотношении Si/Al в полиалюмоэтилсиликонате натрия ,равном 3.2.

Измерение активности используемых водных систем, содержащих радиоактивный стронций Sr-90, до и после очистки осуществлено гамма-спектральным методом на базе многоканального анализатора с программным обеспечением "Прогресс" в аккредитованной в Госстандарте РФ лаборатории радиоационного контроля "Спектр" (аттестат аккредитации N 41143-96).

После очистки водных систем предлагаемым сорбентом концентрации радиоактивного стронция Sr-90 не превышала 45 Бк/кг, что соответствует нормам радиационной безопасности НРБ-96. Кроме того, отработанный сорбент обладает удельной эффективной активностью не более 370 Бк/кг, что соответствует 1 классу радиационной безопасности и может применяться во всех видах строительства согласно ГОСТ 30108-94 ("Материалы и изделия строительные. Определение удельной эффективной активности естественных радионуклидов").

Источники информации
1. В.Н. Пак, Н.Г. Обухова. Сорбция катионов Sr²⁺ и Cu²⁺ из водных растворов железосодержащими шламами / Ж. прикладной химии. - 1995. - 68, N 2. - С. 214-217.

2. Патент РФ N 1836299. Способ очистки сточных вод. МКИ C 02 F 1/48, 1/28, /А. Н. Кучина, И.А. Забулонский, Г.Н. Кочетов, Б.М. Емельянов; Киев инж. -строит. ин-т. - N 4939904/26; Заявл. 29.05.1991; Опубл. 23.08.1993 г., Бул. N 31 (прототип).

Изобретение относится к способам и материалам для очистки сточных вод атомной и радиохимической промышленности, а также природных водных сред от радиоактивных изотопов и обеспечения радиационной безопасности обслуживающего персонала и окружающей среды. Способ включает загрузку железосодержащего сорбента на основе высокодисперсного гематита, модифицированного полиалюмоэтилсиликонатом натрия с соотношением Si/Al = 2,8-3,2, с последующей его термообработкой при температуре 150-160°С в течение 60-70 мин при следующем соотношении компонентов, мас. % (в пересчете на сухой остаток): гематит 90,79-95,86, полиалюмоэтилсиликонат натрия 4,14-9,21, причем сорбцию ведут при температуре сточных вод 20-60°С, независимых значениях рН среды и скорости фильтрации 2-5 м/ч. Способ обеспечивает повышение степени очистки сточных вод и радиационной безопасности отработанных сорбентов на основе железооксидных систем. 5 табл.

Способ очистки сточных вод, включающий загрузку железосодержащего сорбента в очищаемую воду, сорбцию до установления сорбционного равновесия, отличающийся тем, что в качестве сорбента используют высокодисперсный гематит, модифицированный полиалюмоэтилсиликонатом натрия с соотношением Si/Al = 2,8 - 3,2, с последующей термообработкой при температуре 150 - 160^oC в течение 60 - 70 мин при следующем соотношении компонентов, мас.% (в пересчете на сухой остаток):
Гематит - 90,79 - 95,86
Полиалюмоэтилсиликонат натрия - 4,14 - 9,21,
причем сорбцию ведут при температуре сточных вод 20 - 60^oC, независимых значениях рН среды и скорости фильтрации 2 - 5 м/ч.