СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ Российский патент 2002 года по МПК C02F1/56 C02F1/46 C02F1/56 C02F101/32 

Изобретение относится к экологическим процессам очистки воды от взвешенных в них тонкодисперсных частиц и капель-гелей при флокуляции и коагуляции и может найти применение при удалении ПАВ, жиров, масел, нефтепродуктов и других взвешенных в воде веществ, суспензий и эмульсий.

Известен способ очистки воды с помощью коагуляции и флокуляции, включающий приготовление водных растворов коагулянтов и флокулянтов, их дозирование, смешение с очищаемой водой, хлопьеобразование и выделение хлопьев из воды путем отстаивания, фильтрования или флотации (Стахов Е.А. Очистка нефтесодержащих сточных вод. -Л.: Недра, 1983, с. 178).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится малая скорость хлопьеобразования, что приводит к низкой производительности очистки воды и большим затратам времени и размеров оборудования, расходу коагулянтов и флокулянтов и их стоимости, а также недостаточной степени очистки воды от дисперсной фазы.

Известен способ очистки сточных вод от поверхностно-активных веществ, включающий обработку сточной воды в постоянном электрическом поле напряженностью 10-50 В/см, при плотности тока 0,03-0,6 мА/см², скорости потока 0,001-2 см/мин и рН 6-9 с последующим ее фильтрованием через сорбционные колонны (авт. св. СССР N865830, С 02 F 1/48, N 35/81).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится ограниченность применения предлагаемого способа только очисткой от ПАВ, невозможность его использования для очистки сточной воды от коллоидных и гелеобразных дисперсных частиц, сложность и длительность регенерации сорбента в сорбционных колоннах, вызывающих повышение стоимости при недостаточной степени очистки от тонкодисперсной фазы.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту и принятому за прототип является способ очистки воды, включающий введение в нее в качестве коагулянта гидроксида алюминия с одновременной обработкой ее в бездиафрагменном электролизере с использованием нерастворимых электродов, путем пропускания через очищаемую воду постоянного или переменного тока (патент РФ N2102333, С 02 F 1/46, БИ N2, 1998 г.).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится относительно большой расход электроэнергии и коагулянта - гидроксида алюминия, что приводит к повышенной стоимости очистки воды и недостаточной степени извлечения из нее взвешенных частиц.

Задачей технического решения является увеличение скорости и вероятности столкновения извлекаемых частиц и капель дисперсной фазы с молекулами и ионами флокулянта при его растворении в очищаемой воде за счет сил электростатического притяжения противоположно заряженных частиц и капель дисперсной фазы с молекулами и ионами флокулянта.

Техническим результатом является увеличение степени очистки воды от тонкодисперсных частиц и капель.

Поставленный технический результат достигается тем, что в способе очистки воды, включающем воздействие на очищаемую воду постоянным электрическим полем и обработку ее реагентом, в качестве реагента используют флокулянт, и воду перед введением в нее флокулянта обрабатывают постоянным электрическим полем, создаваемым между цилиндрической металлической емкостью и осесимметрично установленным в ней центральным цилиндрическим электродом, при этом в случае использования катионного флокулянта центральный электрод подключают к отрицательному полюсу источника постоянного тока, а цилиндрическую емкость к положительному полюсу источника постоянного тока, а в случае использования анионного флокулянта центральный электрод подключают к положительному полюсу источника постоянного тока, а цилиндрическую емкость - к отрицательному полюсу источника постоянного тока, причем площадь поверхности металлической емкости в 10 раз больше площади боковой поверхности центрального цилиндрического электрода.

Как известно, при растворении анионных флокулянтов они при взаимодействии с молекулами воды приобретают отрицательный заряд. При десятикратном превышении площади боковой поверхности металлической емкости боковой поверхности центрального цилиндрического электрода и подключении последнего к положительному полюсу источника постоянного тока, а цилиндрической емкости - к отрицательному полюсу источника постоянного тока дисперсные частицы или капли очищаемой воды приобретают избыточный положительный заряд, что заставляет положительно заряженные частицы и капли с повышенной скоростью притягиваться к отрицательно заряженным молекулам анионного флокулянта.

При растворении катионных флокулянтов они при взаимодействии с молекулами воды приобретают положительный заряд. Тогда при смене полярности металлической емкости на "плюс", а центрального цилиндрического электрода на "минус" дисперсные частицы или капли приобретают избыточный отрицательный заряд. Далее механизм взаимодействия противоположно заряженных молекул флокулянта и частиц или капель совпадает с описанным выше.

Для экспериментальной проверки эффективности очистки воды по предлагаемому способу в сравнении с известным по прототипу была проведена серия опытов, результаты которых и методика их проведения представлены ниже в примерах 1-6.

Пример 1. В цилиндрической металлической емкости, установленной на диэлектрических прокладках, содержащей 1 дм³ очищаемой воды осесимметрично установлен цилиндрический электрод из титана. В качестве очищаемой воды взята природная вода, содержащая шламы. Концентрация шламов в очищаемой воде 370 мг/дм³. Центральный электрод подключался к отрицательному полюсу источника постоянного тока, а цилиндрическая емкость к положительному полюсу источника постоянного тока. Время обработки очищаемой воды электрическим полем 1 ч. За это время дисперсная фаза (шламы) получали избыточный отрицательный заряд, так как поверхность металлической емкости, подключенная к положительному источнику постоянного тока, по площади в 10 раз больше площади боковой поверхности цилиндрического центрального электрода, подключенного к отрицательному полюсу источника постоянного тока. После обработки очищаемой воды в электрическом поле в течение 1 ч ток отключался, и в воду вливался рабочий раствор катионного флокулянта КФ-91, образующий после интенсивного перемешивания раствор концентрацией 1,6 мг/дм³. Через 1 ч после отстаивания концентрация взвешенных частиц, измеренная на электрофотокалориметре ФЭК составила 11,8 мг/дм³, то есть степень очистки достигла
η=(1-11,8/370)100%=96,8%
Пример 2. В опыте по примеру 1 в соответствии с прототипом предварительная подача тока в очищаемую воду не проводилась. После подачи в воду катионного флокулянта КФ-91, интенсивного перемешивания раствора концентрацией 1,6 мг/дм³ одновременной подачей постоянного тока в течение часа и через час после отстаивания (общее время опыта в примерах 1 и 2 одинаковое) концентрация взвешенных частиц, измеренная тем же способом, составила 23,5 мг/дм³, а степень очистки
η=(1-23,5/370)100%=93,7%.

Пример 3. В опыте по примеру 1, но при подаче на цилиндрическую емкость в течение часа отрицательного заряда, а на цилиндрический центральный электрод положительного заряда (дисперсная фаза заряжалась избыточным положительным зарядом) концентрация взвешенных частиц через 1 ч после отстаивания составила 25 мг/дм³, а степень очистки
η=(1-25/370)100%=93,2%.

Пример 4. В опыте по примеру 1 после обработки очищаемой воды путем пропускания в течение часа через нее электрического тока и создания избыточного отрицательного заряда в очищаемую воду добавлялся анионный флокулянт - полиакриламид ПАА-1 (А. К. Запольский, А.А. Баран. Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды. Л. : Химия, 1987, с. 124-125 и с. 150). После интенсивного перемешивания и отстаивания в течение часа конечная концентрация взвешенных частиц составляла 58,3 мг/дм³, а степень очистки
η=(1-58,3/370)100%=84,3%.

Пример 5. В опыте по примеру 2 в очищаемую воду добавлялся анионный флокулянт-полиакриламид ПАА-1 без ее предварительной обработки путем пропускания электрического тока (прототип).

После интенсивного перемешивания, подачи постоянного тока в течение 1 ч и отстаивания в течение 1 ч конечная концентрация взвешенных частиц составляла 51,8 мг/дм³, а степень очистки
η=(1-51.8/370)100%=86%.

Пример 6. В опыте по примеру 3 в очищаемую воду после пропускания через нее в течение часа электрического тока с созданием на частицах дисперсной фазы избыточного положительного заряда добавлялся анионный флокулянт-полиакриламид ПАА-1. осле интенсивного перемешивания и отстаивания в течение 1 ч конечная концентрация взвешенных частиц составляла 29,1 мг/дм³, а степень очистки
η=(1-29,1/370)100%=92,9%.

Как видно из результатов, опытов предварительная обработка в электрическом поле очищаемой воды с созданием избыточного одноименного заряда на частицах дисперсной фазы значительно влияет на степень очистки.

Степень очистки возрастает, если избыточный заряд на частицах дисперсной фазы имеет противоположный знак с молекулами и ионами флокулянта.

Так катионные флокулянты при растворении в воде имеют избыточный положительный заряд, поэтому они быстро в полном объеме притягивают частицы дисперсной фазы с избыточным отрицательным зарядом (опыт N1).

Анионные флокулянты при растворении в воде имеют избыточный отрицательный заряд, поэтому они быстро и полнее притягивают частицы дисперсной фазы с избыточным положительным зарядом (опыт 6).

Увеличение или уменьшение концентрации флокулянтов в очищаемой воде по сравнению с оптимальными концентрациями, приведенными в таблице (1,6 мг/дм³ для КФ-91 и 0,9 мг/дм³ для ПАА-1) снижает степень очистки как в предлагаемом способе, так и в прототипе. Если знак избыточного заряда частиц и капель дисперсной фазы совпадают со знаком заряда молекул или ионов флокулянта, то степень очистки снижается по сравнению со степенью очистки по прототипу (без предварительного заряжания дисперсной фазы избыточным одноименным зарядом, см. опыты 4 и 3).

Предлагаемый способ очистки воды, связанный в случае использования катионного флокулянта с подключением цилиндрической металлической емкости к положительному полюсу, а осесимметрично установленного в ней центрального цилиндрического электрода к отрицательному полюсу источника постоянного тока, а в случае использования анионного флокулянта - с подключением цилиндрической металлической емкости и центрального цилиндрического электрода к полюсам противоположной полярности при 10-кратном превышении площади боковой поверхности цилиндрической металлической емкости площади боковой поверхности центрального цилиндрического электрода позволяет увеличить степень очистки особенно частиц и капель тонкодисперсной фазы за счет сил электростатического притяжения, способствующих увеличению скорости столкновения, приводящих к образованию крупных и плотных хлопьев и уменьшающих время осаждения.

Изобретение относится к экологическим процессам очистки воды от взвешенных в них тонкодисперсных частиц и капель-гелей при флокуляции и может найти применение при удалении ПАВ, жиров, масел, нефтепродуктов и других взвешенных в воде веществ, суспензий и эмульсий. В очищаемую воду вводят флокулянт. Перед введением флокулянта воду обрабатывают постоянным электрическим полем, создаваемым между цилиндрической металлической емкостью и осесимметрично установленным в ней центральным цилиндрическим электродом. В случае использования катионного флокулянта центральный электрод подключают к отрицательному полюсу источника постоянного тока, а цилиндрическую емкость - к положительному, а в случае использования анионного флокулянта центральный электрод подключают к положительному полюсу источника постоянного тока, а цилиндрическую емкость - к отрицательному. Технический эффект - увеличение степени очистки воды от тонкодисперсных частиц и капель. 1 з.п.ф-лы, 1 табл.

1. Способ очистки воды, включающий воздействие на очищаемую от дисперсной фазы воду постоянным электрическим полем и обработку ее реагентом, отличающийся тем, что в качестве реагента используют флокулянт и воду перед введением в нее флокулянта обрабатывают постоянным электрическим полем, создаваемым между цилиндрической металлической емкостью и осесимметрично установленным в ней центральным цилиндрическим электродом, при этом в случае использования катионного флокулянта центральный электрод подключают к отрицательному полюсу источника постоянного тока, а цилиндрическую емкость - к положительному полюсу источника постоянного тока, а в случае использования анионного флокулянта центральный электрод подключает к положительному полюсу источника постоянного тока, а цилиндрическую емкость - к отрицательному полюсу источника постоянного тока. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что площадь поверхности металлической емкости в 10 раз больше площади боковой поверхности центрального цилиндрического электрода.