КОАГУЛЯНТ ДЛЯ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД, СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК C02F1/52 C01F7/16 C02F103/04 

Изобретение относится к области экологии, в частности к технологии очистки природных вод в процессе водоподготовки и физико-химической очистки сточных вод от токсичных соединений природного и техногенного происхождения с применением разного вида коагулянтов, и оно может быть использовано для улучшения состояния здоровья человека и охраны окружающей среды.

Известны коагулянты, наибольшее распространение среди которых для очистки природных и сточных вод получили коагулянты, содержащие алюминий, в частности сульфат алюминия, оксихлорид алюминия и алюминат натрия, из которых сульфат алюминия используется наиболее часто (1). Однако этими коагулянтами не достигается высокой степени очистки природных и сточных вод и основной их недостаток состоит в значительном количестве остаточного алюминия в очищенной воде.

Известен коагулянт на основе алюминия, наиболее близкий к предлагаемому изобретению по достигаемому техническому результату и выбранный в качестве прототипа (2). Коагулянт представляет собой гидрокарбоалюминат кальция в виде однородного порошка серо-белого цвета. Гидрокарбоалюминат кальция получают как попутный продукт производства глинозема способом гидрохимического синтеза кальция из щелочно-карбоалюминатных растворов и извести при комплексной переработке нефелинов.

Недостатками известного коагулянта - гидрокарбоалюмината кальция - являются высокая его стоимость и дефицитность, поскольку для его получения в качестве минерала используют нефелин, более редко встречающийся в природе, чем, например, бокситы, что и сказывается на его высокой стоимости.

Из уровня техники известны способы получения коагулянта для очистки природных и сточных вод. Известен способ получения коагулянта сульфата алюминия из гидроксида алюминия, который основан на разложении гидроксида алюминия серной кислотой и кристаллизации образовавшегося продукта (3, с.48-53). Однако этот способ требует дорогостоящего и дефицитного исходного материала гидроксида алюминия, являющегося полупродуктом при получении глинозема.

Известны способы получения коагулянтов из бокситов, каолинов, глин и других минералов, содержащих алюминий, суть которых заключается в разложении этих минералов серной кислотой с последующей кристаллизацией готового продукта (3, с.53-79). Однако эти способы сложные и трудоемкие.

Известен способ получения коагулянта для очистки природных и сточных вод, наиболее близкий к предлагаемому способу по достигаемому техническому результату и выбранный в качестве прототипа (4). Сущность этого способа состоит в синтезе гидрокарбоалюмината натрия из раствора алюмината натрия и известкового молока, который подвергают охлаждению и смешивают с карбонатом натрия, после чего выпавший осадок высушивают и растирают до порошкообразного состояния.

Недостатками известного способа получения коагулянта для очистки природных и сточных вод являются высокая его стоимость и дефицитность, поскольку для его получения в качестве минерала используют нефелин, более редко встречающийся в природе, чем, например, бокситы, что и сказывается на высокой стоимости получаемого конечного продукта, а также в целом способ является трудоемким и дорогостоящим.

Из уровня техники известны способы очистки природных и сточных вод алюминийсодержащими коагулянтами.

Известен способ очистки природных и сточных вод, основанный на использовании в качестве коагулянта водного раствора сульфата алюминия (5), выбранного в качестве прототипа. Однако этот способ имеет некоторые недостатки, связанные со следующими отрицательными факторами при его использовании:
- низкая эффективность очистки воды при пониженных температурах (ниже 4^oС);
- увеличение солевого фона очищаемой воды;
- повышение содержания сульфатов;
- снижение щелочности и водородного показателя;
- увеличение коррозионной активности воды;
- значительное количество остаточного алюминия в очищенной воде.

Все эти факторы в целом приводят к сокращению срока службы сетей и водоводов и снижению их пропускной способности.

Известен способ очистки природных и сточных вод с использованием алюминийсодержащего коагулянта, наиболее близкий по составу к предлагаемому изобретению и выбранный в качестве прототипа (2).

Недостатками этого способа являются сложность дозирования коагулянта за счет необходимости непрерывного и постоянного перемешивания для предотвращения выпадения в осадок частиц дисперсной фазы, а также высокая стоимость и дефицитность используемого коагулянта - гидрокарбоалюмината кальция.

Технический результат, достигаемый изобретением, является общим для всей группы заявленных изобретений (коагулянта, способа его получения и способа его использования), состоит в повышении эффективности очистки природных и сточных вод не ниже соответствующих установленным нормам (6, 7), при которых не происходит снижение щелочности и водородного показателя воды, а также не увеличивается содержание сульфатов в воде, и в целом в снижении стоимости всего технологического цикла, начиная с получения нового коагулянта, а также уменьшением трудоемкости при получении коагулянта за счет отсутствия необходимости проведения синтеза матрицы твердого раствора.

Указанный технический результат достигается с помощью нового коагулянта, предназначенного для очистки природных и сточных вод, содержащего оксид алюминия, оксид кальция, оксид кремния, оксид железа и оксид натрия, который в соответствии с изобретением дополнительно содержит диоксиды серы и оксид магния, а все ингредиенты взяты в соотношении,%:
Al₂O₃ - 8,0-30,0
CaO - 30,0-55,0
Fe₂O₃ - 0,1-2,0
Na₂O - 0,1-2,0
SiO₂ - 0,5-5,0
SO₂ - 0,1-2,0
MgO - 0,1-2,0
СO₂ - 0,1-2,0
Вода - Остальное
Принципиальное отличие заявленного изобретения от известного уровня техники (в том числе и от прототипа) состоит в существенно ином подходе получения нового коагулянта, так как предложенный коагулянт, выполняя свою функцию, фактически является в большей степени адсорбентом и при этом на поверхности частиц суспензии происходит адсорбция растворенных в воде как ионов тяжелых металлов, как и их гидроксидов и основных солей. По сути частицы дисперсной фазы суспензии являются центрами хлопьеобразования и одновременно утяжелителями, благодаря чему происходит ускорение процесса коагуляции и как следствие в целом повышается эффективность очистки вод. Поскольку алюминий вводится в виде практически нерастворимых соединений, отсутствует остаточное содержание ионов алюминия, что приводит к повышению степени очистки обрабатываемой воды.

Результаты экспериментальных данных показали, что использование такого состава коагулянта, который представляет собой активированный кальций алюминат - белый шлам, названный белым коагулянтом (БК), позволяет добиваться высокой степени очистки природных и сточных вод, причем по сравнению с прототипом существенно удешевить этот процесс.

Примеры реализации коагулянта по данным результатов исследований приведены на фиг.1-3.

Пример 1
Интервал рН применения БК и прототипа иллюстрирован на фиг.1.

На фиг.1 представлены результаты определения растворимости БК в зависимости от рН. Для сравнения здесь же нанесены данные для известного аналога сульфата алюминия. На оси ординат отложено содержание Al (III) в воде над осадком. Определение растворимости осуществлялось обычным способом при температуре 25^oС. БК в количестве 150 мг/л помещался в воду с определенным значением рН.

Из фиг. 1 следует, что применение БК существенно расширяет интервал рН, что увеличивает область его применения по сравнению с сульфатом алюминия. Во-вторых, остаточное содержание алюминия много меньше, чем ПДК (0,5 мг/л) в широком диапазоне изменения водородного показателя (6-12). Таким образом, БК как коагулянт может быть применен в области значений рН от 6 до 12 без повышения содержания алюминия за счет самого реагента, не превышая ПДК.

Пример 2
Изменение мутности обрабатываемой Невской воды с использованием БК и прототипа приведено на Фиг.2.

На фиг.2 приведен график зависимости мутности обработанной Невской воды от времени и дозы коагулянтов (по Al₂O₃), мг/дм³:
1 - доза сульфата алюминия 5;
2 - доза сульфата алюминия 6;
3 - доза сульфата алюминия 7;
4 - доза белого коагулянта 2;
5 - доза белого коагулянта 3;
6 - доза белого коагулянта 4.

Как видно из этой фигуры, БК более эффективно уменьшает мутность.

Пример 3
Эффективность очистки гальванических сточных вод от ионов тяжелых металлов при использовании БК и прототипа приведена на фиг.3.

На фиг. 3 представлена зависимость содержания ионов тяжелых металлов в воде от времени после обработки ее сульфатом железа (II) и БК.

На фиг. 3 а-г показаны изменения от времени концентрации соответственно ионов хрома и алюминия, меди, свинца и никеля.

Как видно из указанных фиг. 1 - 3, остаточное содержание ионов названных металлов явно меньше ПДК. Содержание ионов металлов определено атомно-адсорбционным методом.

Указанный технический результат достигается также способом получения коагулянта для очистки природных и сточных вод, заключающимся в активации белого шлама, применяемого в качестве коагулянта для обескремнивания в технологическом процессе получения глинозема, высушивании и размельчении его, в котором в соответствии с изобретением в качестве исходного продукта для получения коагулянта используется белый шлам состава, представленного в таблице А.

Белый шлам является промежуточным продуктом производства глинозема, который активируют, обрабатывая необходимым объемом 2%-ного водного раствора бикарбоната натрия и сульфата натрия (в соотношении 1:1) в течение не менее 5 мин, после чего полученную смесь отфильтровывают (или отстаивают), а полученный осадок высушивают и измельчают до порошкообразного состояния, который затем используют в качестве коагулянта для очистки природных и сточных вод в виде водной суспензии.

Известные способы очистки природных и сточных вод, основанные на использовании разных коагулянтов, содержащих алюминий: сульфат алюминия, оксихлорид алюминия и алюминат натрия, из которых сульфат алюминия используется наиболее часто (1, 3-7), - все хорошо растворимые в воде соли. После очистки природных и сточных вод этими реагентами остается значительное остаточное количество ионов алюминия в обработанной воде.

Предлагаемое изобретение свободно от этих недостатков. Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в достижении степени очистки, соответствующей нормативам (6).

Ближайшим прототипом выбран способ очистки природных и сточных вод путем добавления к очищаемой воде в качестве коагулянта наиболее широко используемого на практике сульфата алюминия (1, 3, 5). При растворении в воде сульфат алюминия гидролизуется до основных солей и гидроксида. Последний коагулирует, что приводит к взаимному слипанию всех взвешенных и коллоидных частиц в очищаемой воде и увеличению скорости их осаждения.

Общий для всех технический результат достигается следующим образом:
В качестве коагулянта используют водную суспензию белого коагулянта (БК), представляющего собой активированный белый шлам (серо-белого цвета), являющийся промежуточным продуктом при производстве глинозема на глиноземных заводах, имеющий состав основных компонентов, представленный в таблице В.

Активированный белый шлам образует с водой суспензию, дисперсная фаза которой обладает большой активной поверхностью и может использоваться в качестве коагулянта.

Результаты анализов разных составов белых коагулянтов представлены в примерах 1, 2, 3 (таблица С).

Как видно из примеров таблицы, количество основного компонента Аl₂О₃ может изменяться в довольно широком интервале. Доза белого коагулянта в процессе очистки воды зависит от содержания Аl₂О₃: чем больше Аl₂О₃, тем меньше доза белого коагулянта, которая может также зависить от природы очищаемой воды и технологических особенностей процесса очистки.

Механизм действия белого шлама несколько отличается от прототипа, т.к. частицы суспензии являются уже готовыми центрами хлопьеобразования, на поверхности которых адсорбируются как ионы тяжелых металлов, растворенных в воде, так и имеющиеся там гидроксиды и основные соли металлов, захватываются и взвешенные вещества. Частицы суспензии одновременно являются и утяжелителями, благодаря чему происходит ускорение процесса коагуляции и как следствие образование хлопьев и выпадение их в осадок.

Результаты проведенных исследований применения БК и прототипа для очистки природных и сточных вод приведены в примерах таблиц 1-7.

Пример 1
Результаты сравнительного пробного коагулирования природной Невской воды при обработке БК (образец 1) и прототипом (см.таблицу 1).

Пример 2
Результаты сравнительного пробного коагулирования заводских стоков при использовании БК (образцы 1 и 2) и прототипа (таблицы 2 и 3).

Пример 3
Результаты сравнительного пробного коагулирования заводских стоков с использованием БК (образец 3) и прототипа (таблицы 4-6):
Из анализа заявляемого и известных решений следует, что тождественной группы заявленных изобретений, объединенных единым указанным выше техническим результатом, не обнаружено.

Результаты приведенных исследований подтверждают промышленную применимость заявленной группы изобретений, использование которых позволит обеспечить снабжение населения высококачественной питьевой водой, а также способствует охране окружающей среды от загрязнений вредными веществами и безопасной жизнедеятельности человека.

Технический результат, достигаемый коагулянтом для очистки природных и сточных вод, способом его получения и использования, состоит в получении высококачественной питьевой воды для сохранения здоровья и долголетия человека, в эффективной и надежной очистке сточных вод с целью обеспечения экологической безопасности человека и окружающей среды.

Литература:
1. Справочник по очистке природных и сточных вод. Пааль Л.Л., Кару Я.Я., Мендер Х.А., Репин Б.Н. - М.: Высш. шк., 1994, с.51-58.

2. Патент РФ 2126365, приоритет 07.08.97.

3. Запольский А.К., Баран А.А. Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды. Л.: Химия, 1987, с. 48-79.

4. Патент РФ 1556525, кл. С 01 F 7/16, опубл. 15.12.1994.

5. Справочник по свойствам, методам анализа и очистки воды. Кульский Л. А. и др., ч.1, с.607-622 и ч.11, с.681-700, Киев: Наукова Думка, 1980.

5. Строительные нормы и правила 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. М.: Стройиздат, 1985, c.23.

6. Строительные нормы и правила 2.04.03-85 Канализация. Наружные сети и сооружения. М.: СИТП Госстрой СССР, 1986. С.48.

Изобретение относится к технологии очистки природных вод в процессе водоподготовки и физико-химической очистки сточных вод от токсичных соединений природного и техногенного происхождения с применением разного вида коагулянтов и может быть использовано для улучшения состояния здоровья человека и охраны окружающей среды. Предложенный коагулянт - активированный кальций-алюминат - содержит соединения алюминия, оксид кремния, оксид кальция, оксид железа, оксид натрия, оксид магния и диоксид серы, его получают обработкой шлама - промежуточного продукта производства глинозема, причем обработку ведут 2%-ным водным раствором бикарбоната натрия и сульфата натрия в соотношении 1: 1 в течение не менее 5 мин с последующим отделением, высушиванием и измельчением осадка. Очистку сточных и природных вод ведут активированным кальций-алюминатом в виде водной суспензии в количестве не менее 3 мг/дм³ при перемешивании не менее 0,1 мин. Новый коагулянт фактически является в большей степени адсорбентом и при этом на поверхности частиц суспензии происходит адсорбция растворенных в воде как ионов тяжелых металлов, так и их гидроксидов и основных солей. Частицы дисперсной фазы суспензии являются центрами хлопьеобразования и одновременно утяжелителями, благодаря чему происходит ускорение процесса коагуляции и как следствие в целом повышается эффективность очистки вод. Поскольку алюминий вводится в виде практически нерастворимых соединений, отсутствует остаточное содержание ионов алюминия, что приводит к повышению степени очистки обрабатываемой воды. Технический результат, достигаемый коагулянтом для очистки природных и сточных вод, способом его получения и использования, состоит в получении высококачественной питьевой воды для сохранения здоровья и долголетия человека, в эффективной и надеждой очистке сточных вод с целью обеспечения экологической безопасности человека и окружающей среды. 3 c. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 9 табл.

1. Коагулянт для очистки природных и сточных вод, содержащий соединения алюминия, оксида кальция, оксида кремния, оксида железа, оксида натрия, отличающийся тем, что он дополнительно содержит диоксид серы и оксид магния при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Al₂O₃ - 8,0-30,0
CaO - 30,0-55,0
Fe₂O₃ - 0,1-2,0
Na₂O - 0,1-20
SiO₂ - 0,5-5,0
SO₂ - 0,1-2,0
MgO - 0,1-2,0
CO₂ - 0,1-2,0
Вода - Остальное
2. Способ получения коагулянта для очистки природных и сточных вод, заключающийся в обработке шлама смесью карбонатных и сульфатных солей щелочных металлов (Na₂CO₃, K₂CO₃, Na₂SO₄ или их смеси), отличающийся тем, что в качестве исходного продукта для получения реагента используют шлам, являющийся промежуточным продуктом производства глинозема, который отбирают в виде осадка и обрабатывают необходимым объемом 2%-ного водного раствора бикарбоната натрия и сульфата натрия в соотношении 1: 1 в течение не менее 5 мин, после чего полученную смесь отфильтровывают, а полученный осадок высушивают и измельчают до порошкообразного состояния. 3. Способ использования коагулянта для очистки природных и сточных вод, заключающийся в добавлении к очищаемой воде коагулянта в виде водной суспензии и их перемешивании, отличающийся тем, что в качестве коагулянта используют активированный кальций-алюминат, который добавляют в очищаемую воду в виде водной суспензии в количестве не менее 3 мг/дм³, а перемешивание производят не менее 0,1 мин. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что при очистке природных и сточных вод активированный кальций-алюминат может применяться совместно с известными коагулянтами, например гидроксихлоридом алюминия, железным купоросом и другими. 5. Способ по 3, отличающийся тем, что при очистке природных и сточных вод активированный кальций-алюминат может применяться в сочетании с известными флокулянтами, например полиакриламидом, суперфлаком, престолом и другими.