СПОСОБ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ ВОД ОТ ЖЕЛЕЗА Российский патент 2002 года по МПК C02F1/64 C02F1/64 C02F103/04 

Изобретение относится к области водоподготовки питьевой воды, в частности к каталитической очистке природных вод от соединений железа.

Анализ современного уровня знаний в этой области показывает, что известны способы очистки природных вод от железа, находящегося в форме гидрокарбоната железа Fе(НСО₃)₂, заключающиеся в том, что для обезжелезивания в воду вводят кислород в виде водовоздушной эмульсии /1/, причем процесс значительно ускоряется, если окисление Fe²⁺ в Fe³⁺ вести в присутствии катализаторов, в частности соединений марганца /2/. Однако для достижения необходимых степеней очистки по данному способу требуется значительное количество каталитической загрузки (при скорости фильтрации 10 м/ч высота слоя катализатора - 1000 мм). Катализатор в процессе очистки дезактивируется вследствие сорбции на его поверхности образующегося при окислении гидроксида железа Fе(ОН₃), а регенерация осуществляется дорогостоящими реактивами, в частности перманганатом калия.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемому способу очистки природных вод от железа является способ, заключающийся в каталитическом окислении Fe²⁺ на гранулированном марганецсодержащем катализаторе с образованием взвешенной фазы Fе(ОН)₃. Способ осуществляется следующим образом. Очищаемую воду, насыщенную кислородом воздуха, фильтруют в реакционной камере через зернистую загрузку с нанесенным на нее слоем реагента - полиперманганита меди формулы: (CuMn)О•mMnО₂•nH₂О, при этом образующийся Fе(ОН)₃ остается в объеме катализатора /3/.

Недостатками указанного способа являются: низкая каталитическая активность катализатора, что ограничивает применение способа для обезжелезивания воды с высоким содержанием железа (до 40 мг/л и более), неудовлетворительная емкость фильтрующей загрузки (грязеемкость); необходимость периодической регенерации или замены катализатора, что в целом усложняет и удорожает процесс обезжелезивания воды. Это связано с тем, что естественное насыщение воды кислородом воздуха при атмосферном давлении ограничивает применение данного способа до содержания Fe²⁺ на уровне 8-9 мг/л; выбранная зернистая загрузка обладает малой грязеемкостью по отношению к образующемуся Fе(ОН)₃; поверхность катализатора дезактивируется пленкой сорбированных соединений железа.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в том, чтобы упростить технологию обезжелезивания природных вод; расширить верхний предел содержания железа в очищаемой воде (до 40 мг/л); увеличить эффективность обезжелезивания воды в расчете на 1 объем фильтрующей загрузки. Для решения поставленной задачи в способе использовано каталитическое окисление двухвалентного железа и фильтрование очищаемой воды через зернистую загрузку с удержанием в объеме последней образующегося Fе(ОН)₃, причем процессы окисления и отделения образовавшейся взвешенной фазы гидроксида железа ведут в разных объемах реакционной камеры. В реакционной камере в присутствии мелкодисперсного катализатора (силикагеля, модифицированного диоксидом марганца, МnО₂), помещенного для предотвращения выноса между двумя мелкоячеистыми ложными днищами, инициируется окисление ионов Fe²⁺ в Fe³⁺, а в контактном фильтре, заполненном мраморной крошкой, завершается образование Fе(ОН)₃ с одновременным отделением взвешенной фазы из очищаемой воды. Катализатор, инициирующий окисление железа, находится в псевдоожиженном состоянии, которое достигается оптимальным выбором скоростей воздуха 17-20 м/ч и воды до 2,5 м/ч, и массовой загрузки катализатора 0,75-1,5 г на 1 л слоя. При этом барботируемый в воду воздух, попадая в реакционную камеру, предварительно проходит пористое нижнее днище и переводится в мелкодисперсное состояние. После прохождения реакционной камеры вода подается в контактный фильтр, где происходит удаление взвешенной фазы. При содержании железа в воде на выходе из фильтра выше санитарно-гигиенической нормы фильтр подвергают регенерации, которую осуществляют противоточной водовоздушной промывкой.

Отличительной и существенной особенностью предлагаемого способа является то, что каталитическое окисление проводят в псевдоожиженном слое, при котором катализатор пребывает в состоянии саморегенерации, что исключает его дезактивацию и соответственно наиболее трудоемкую операцию его регенерации. Формирование псевдожиженного слоя производится при скоростях воздуха 17-20 м/ч и воды до 2,5 м/ч, и массовой загрузке катализатора 0,75-1,5 г на 1 л слоя. Разделение процессов окисления и удаления взвешенной фазы обеспечивает более эффективное использование катализатора и адсорбционной емкости минерального сорбента (мраморной крошки) как по Fe²⁺, так и по Fe³⁺.

Нижеприведенные примеры иллюстрируют воспроизводимость заявляемого способа.

Пример 1. Исследование проводилось как на модельных растворах, приготовленных на дистиллированной воде с исходным содержанием Fe²⁺ - 6-40 мг/л, так и на реальных артезианских водах с содержанием двухвалентного железа около 7 мг/л. Процесс обезжелезивания заключался в следующем. Вода, содержащая Fe²⁺, восходящим потоком направлялась в реакционную камеру (РК) с диаметром 5 см и объемом 330 мл, в которую помещался мелкодисперсный катализатор - термомодифицированный диоксидом марганца силикагель. Для предотвращения выноса катализатора реакционная камера имела мелкопористые верхнее и нижнее днища, представлявшие собой спеченные стеклянные фильтры. Для реализации псевдоожиженного слоя катализатора через нижнее днище с заданной скоростью барботировался воздух. В реакционной камере инициировался в процессе окисления Fe²⁺ Fe³⁺, вода после реакционной камеры подавалась в контактный фильтр (диаметр 2,5 см, высота слоя мраморной крошки 17,5 см, фракция 1-2 мм), в котором завершался процесс окисления двухвалентного железа и происходило отделение взвешенной фазы образовавшегося гидроксида железа. После исчерпания емкости фильтра (концентрация железа в фильтрате сопоставима с предельной допустимой концентрацией - 0,3 мг/л) процесс обезжелезивания прекращался, адсорбент подвергался регенерации, которая осуществлялась водовоздушным потоком в режиме противотока в течение 5 мин (скорость воды 11,4 м/ч, скорость воздуха 25 м/ч). Для сопоставления полученных результатов с данными по прототипу и оценки каталитического окисления введен параметр - количество извлеченного железа (мг) на 1 см³ сорбента (мраморной крошки) за 1 час (q, мг/см³•ч).

Остальные примеры (2-6) проводились аналогично примеру 1. Результаты примеров (1-6) и их режимные параметры сведены в таблицу.

Таким образом, заявляемый способ осуществим и позволяет:
- упростить технологию обезжелезивания воды за счет исключения стадии регенерации катализатора, что достигается ведением процесса в псевдоожиженном слое катализатора;
- увеличить эффективность обезжелезивания воды на единицу объема используемого сорбента (мрамор);
- обеспечить возможность обезжелезивания природных вод с высоким содержанием двухвалентного железа (до 40 мг/л);
- уменьшить количество используемого катализатора в 50-100 раз (по объему).

Источники информации
1. Л.А. Кульский, П.П. Строкач. Технология очистки природных вод. Киев: Вища школа, 1986, с. 207-220.

2. Mс. Farland W.E., Groundwater treatment alternatives for industry. Pt. I: Jron and manganese removal./"Plant. Eng." (США), 1985, v. 39, 13, р. 62-66.

3. А.c. СССР 1198016, кл. С 02 F/64, В 01 D 37/02, Б.И. 46, 1985.

Изобретение относится к области водоподготовки питьевой воды, в частности к каталитической очистке природных вод от соединений железа. Способ очистки природных вод от железа заключается в каталитическом окислении Fe²⁺ на гранулированном марганецсодержащем катализаторе в виде силикагеля, термомодифицированном диоксидом марганца с дисперсностью 0,15-0,5 мм, и отделении образовавшейся взвешенной фазы Fе(ОН)₃ путем фильтрации через зернистую массу мраморной крошки фракции 1-2 мм, причем каталитическое окисление ведется в псевдоожиженном слое катализатора, формирующемся в результате барботажа воздуха при скоростях воздуха 17-20 м/ч и воды до 2,5 м/ч, и массовой загрузке катализатора 0,75-1,5 г на 1 л слоя. Способ обеспечивает упрощение процесса обезжелезивания природных вод при высоком содержании железа в обрабатываемой воде и обеспечение высокой эффективности очистки. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ очистки природных вод от железа, включающий каталитическое окисление двухвалентного железа на гранулированном марганецсодержащем катализаторе с отделением взвешенной фазы трехвалентного гидроксида железа, отличающийся тем, что каталитическое окисление ведут в псевдоожиженном слое катализатора при барботаже воздуха, а последующее отделение образовавшейся взвешенной фазы трехвалентного гидроксида железа осуществляют путем фильтрации через зернистую загрузку. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве гранулированного катализатора используют силикагель, термомодифицированный диоксидом марганца, с дисперсностью 0,15-0,5 мм. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве зернистой загрузки используется мраморная крошка фракции 1-2 мм. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формирование псевдоожиженного слоя ведется при барботаже воздуха, скорость которого составляет 17-20 м/ч при скорости воды до 2,5 м/ч и массовой загрузке катализатора 0,75-1,5 г на 1 л псевдоожиженного слоя.