СПОСОБ ОЧИСТКИ ШАХТНЫХ ВОД ОТ ЖЕЛЕЗА Российский патент 2011 года по МПК C02F1/64 C02F1/72 C02F103/06 

Изобретение относится к способам очистки подземных и шахтных вод от железа.

Известен способ глубокой очистки подземных вод, включающий дегазацию, двухстадийное фильтрование с постадийной промывкой и использованием в качества фильтрующей загрузки на первой стадии инертного материала, а на второй - сорбента и обеззараживание. Дегазацию осуществляют путем барботажа, фильтрование на первой стадии ведут с воздушной промывкой фильтрующей загрузки, а на второй стадии фильтрование ведут сверху вниз через фильтрующую загрузку, выполненную из двух слоев в последовательности: сорбент, ионообменный материал. Промывку ведут противотоком в последовательности: ионообменный материал, сорбент, ионообменный материал регенерируют раствором хлористого натрия, а обеззараживание ведут ультрафиолетом (пат. РФ 2087427, C02F 9/00).

Недостатком этого способа очистки воды от железа является сложная дорогостоящая технология, недоступная к применению при больших объемах поступающей воды с большим содержанием железа.

Известен способ удаления железа из подземных вод, включающий фильтрование через загрузку, обработанную раствором марганцово-кислого калия, с целью повышения степени очистки, загрузку предварительно обрабатывают 0,1-3%-ным водным раствором сернокислого закисного железа (а.с. 685630, С02В 1/26).

Недостатком этого способа является возможность применения его только при небольших объемах воды и содержаниях в ней железа.

Известен способ осаждения поливалентных металлов из водных растворов путем обработки химическим реагентом с целью повышения эффективности осаждения за счет уменьшения остаточного содержания ионов металлов в растворе и экономичности процесса, обработку осуществляют водным раствором натриевой соли карбоксилметилцеллюлозы (а.с. 808377, C02F 1/58).

Недостатком этого способа является большой расход реагента и неспособность вывода из раствора двухвалентного железа.

Известен способ очистки подземных вод от железа, включающий их аэрирование и фильтрацию, аэрирование осуществляют барботированием воды сжатым воздухом, осуществляют доокисление железа до трехвалентного во взвешенном слое концентрата при разрыве потоков последнего и воды в сборной емкости, очистке на активированных наработанным гидроксидом железа пористых коаксиальных цилиндрических поверхностях элементов из полимера пространственно-глобулярной структуры при тангенциальной фильтрации пульсирующего турбулентного потока и гидродинамическом сжатии диффузного слоя в их зазоре с наведением дзета-потенциалов, а регенерацию фильтра осуществляют чередующимися импульсными отдувками сжатым воздухом и промывками обратным током воды с частичным перекрытием пористых поверхностей элементов по продольным образующим подвижными экранами (пат. РФ 2181 ПО, C02F 1/64).

Недостатком данного способа являются худшие результаты очистки воды от железа при больших объемах ее поступления. Так, на очистных сооружениях шахты им. Кирова в г.Новошахтинске Ростовской области, на которых применялся предлагаемый способ, получены результаты при содержании общего железа в воде, поступающей из водовыпускных скважин - 150-180 мг/л, после аэрации и фильтрации - 101-118 мг/л.

Приток шахтной воды при этом составлял 600 м /час.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является способ очистки сточных вод от органических и неорганических соединений, включающий обработку перекисью водорода и одновременно с этим в сточные воды вводится озон (а.с. 648530, С02С 5/02).

Перекись водорода и озон вводят в количестве соответственно 0,03-1,0 г/л и 0,15-1,5 г/л соответственно.

Недостатком данного способа является очень большой расход реагентов, при потоке воды 1000 м³/час необходимо соответственно перекиси водорода и озона до 1000 и 1500 кг/час. Кроме этого, окисление двухвалентного железа сопровождается снижением уровня pH, что тормозит процесс выпадения железа в осадок и делает воду не пригодной для сброса в природные водотоки.

Технологический эффект от использования предлагаемого способа заключается в повышении степени и скорости очистки воды от железа, нормализации уровня pH, осаждении соединений железа и снижении затрат на очистку воды.

Задача очистки шахтных вод от железа с использованием перекиси водорода решается следующим образом: в воду одновременно вводят пероксид водорода и кальцинированную соду, при этом водный раствор пероксида водорода добавляют в эквивалентном количестве по отношению к концентрации железа, а кальцинированную соду добавляют в эквимолярном количестве для достижения нейтрального уровня pH среды.

Окисление двухвалентного железа и выпадение в осадок продуктов реакции будет приводить к изменению pH среды. В условиях, когда значение pH среды близко к нейтральной, окисление Fe²⁺ перекисью водорода можно описать реакциями:

Fe²⁺+H₂O₂→Fe³⁺+OH⁰+OH^-

Fe²⁺+OH⁰→Fe³⁺+OH^-

Исходное железо в виде FeSO₄ под действием перекиси водорода окисляется и выпадает в осадок в результате реакции:

2FeSO₄+H₂O₂+4Н₂О→2Fe(OH)₃↓+2H₂SO₄

Таким образом, окисление Fe в нейтральной среде по реакции приводит к уменьшению pH среды.

В воде железо в виде гидрокарбонатов окисляется по реакции:

2Fe(НСО₃)₂+H₂O→2Fe(ОН)₃↓+HCO₂↑

При этом pH среды будет увеличиваться за счет удаления из раствора соли угольной кислоты.

Если гидрокарбонатов окажется недостаточно и в процессе реакции раствор стал кислым, то при избытке сульфатов (под избытком сульфатов подразумевается, что [Fe²⁺]<[SO₄ ^2-]) реакция окисления двухвалентного железа перекисью водорода будет протекать по другому механизму с образованием стабильного в кислой среде растворимого соединения

2FeSO₄+H₂O₂+H₂SO₄→Fe₂(SO₄)₃+2H₂O

Для сохранения pH среды на нейтральном уровне в воду вводится раствор кальцинированной соды (Na₂CO₃), где протекает реакция:

Na₂CO₃+H₂SO₄→Na₂SO₄+Н₂СО₃→Na₂SO₄+H₂O+CO₂↑

Образующаяся в этих реакциях угольная кислота нестабильна и разлагается при pH меньше 7, тем самым будет обеспечиваться стабилизация pH около значения 1.

При pH воды, равном 4, для увеличения pH среды до 7 необходим эквивалент Э=10^-4-10^-7≈10^-4 моль/л или ОД моль/м³. Эквивалент Na₂CO₃ равен 2, поэтому нужно вводить 0,05 моль/м³. Молекулярный вес M(Na₂CO₃)=106. Расход кальцинированной соды составит 0,05·106=5,3 г/м³.

Расход перекиси водорода на объем воды стехиометрически можно рассчитать па основе реакции 2Fe²⁺+Н₂О₂→2Fe³⁺+2OH^-. Согласно этому уравнению на окисление двух молекул закисного железа расходуется одна молекула перекиси водорода.

Например, при концентрации [Fe²⁺]=350 мг/л (6,25-10^-3 моль/л) перекиси водорода нужно вводить 1/2·6,25·10^-3=3,125·10^-3 моль/л или 0,102 г/л концентрированной H₂O₂. Количество необходимого водного раствора определяется пропорционально в зависимости от концентрации H₂O₂ в растворе.

Технологическая схема предлагаемого способа приведена на фиг.1. Схема включает поток исходной воды 1, емкость с перекисью водорода или генератор перекиси водорода, 2, дозатор перекиси водорода 3, емкость с раствором кальцинированной соды 4, дозатор раствора кальцинированной соды 5, отстойник 6, пруд-осветлитель 7 и выход очищенной воды 8.

Способ осуществляется следующим образом.

В поступающий поток исходной воды на основании лабораторных анализов и согласно таблице (Фиг.2, Фиг.3) одновременно вливается расчетное количество раствора перекиси водорода и расчетное количество раствора кальцинированной соды. Смесь поступает в отстойник 6, где происходит реакция окисления железа с получением труднорастворимых соединений, которые быстро коагулируют и выпадают в осадок. В пруде-осветлителе 7 вода окончательно очищается от взвешенных частиц и может быть использована для рыборазведения.

Таким образом, способ очистки шахтных вод от железа включает обработку перекисью водорода и отличается от прототипа тем, что в воду одновременно вводят пероксид водорода и кальцинированную соду, при этом водный раствор пероксида водорода добавляют в эквимолярном количестве по отношению к концентрации железа, а кальцинированную соду добавляют в эквимолярном количестве для достижения нейтрального уровня pH среды.

Предлагаемый способ прошел опытно-промышленные испытания по очистке шахтной воды на очистных сооружениях шахты им. Кирова в г.Новошахтинске Ростовской области и на очистных сооружениях шахты «Бургустинская» в г.Гуково Ростовской области. Результаты опытно-промышленных испытаний представлены в таблице.

Компонент Ед. изм. Очистные сооружения ш. им. Кирова ш. «Бургустинская» Вода исходная, (мг/л) После очистки по существующей технологии (мг/л) После очистки H₂O₂ и Na₂CO₃, (мг/л) Вода исходная (мг/л) После очистки по существующей технологии (мг/л) После очистки H₂O₂ и Na₂CO₃ (мг/л) pH ед. 6,35 6,65 6,61 7,04 2,6 6,58 Железо общее мг/л 180,00 118,00 2,64 432,0 384,0 0,76 Железо окисное мг/л 50,00 55,50 2,60 92,5 196,5 1,35 Железо закисное мг/л 130,00 62,50 <0,05 339,5 187,5 0,41

На очистных сооружениях шахты им. Кирова приток воды до 1000 м/час. Применяемый по проекту способ очистки воды - электролиз, аэрирование и фильтрация.

На шахте «Бургустинская» применяемый способ очистки по проекту - аэрирование, известкование с добавлением флокулянта, (полиакриламид), приток воды 230-300 м³/час.

Во время испытаний расход реагентов, перекиси водорода и кальцинированной соды определялся по графикам зависимости (фиг.2 и фиг.3), составленным на основе расчетов.

По результатам опытно-промышленных испытаний разрабатывается проектная документация на реконструкцию очистных сооружений шахтных вод с использованием перекиси водорода и кальцинированной соды.

Изобретение относится к способам очистки шахтных вод от железа и может быть также использовано для очистки подземных вод. Для осуществления очистки в обрабатываемую воду одновременно вводят пероксид водорода и кальцинированную соду, причем водный раствор пероксида водорода добавляют в эквимолярном количестве по отношению к концентрации железа, а кальцинированную соду добавляют в эквимолярном количестве для достижения нейтрального уровня pH среды. При этом содержащееся в воде железо образует смесь труднорастворимых соединений - Fe(ОН)₃, FeSO₄(OH), Fe₂O₃·nH₂O, которые быстро коагулируют, выпадают в осадок и могут быть успешно удалены даже без фильтрации. Происходящее снижение pH воды компенсируется добавлением в нее кальцинированной соды (Na₂CO₃). Технологический эффект от использования данного способа заключается в повышении степени и скорости очистки воды от железа, нормализции уровня pH и удешевлении процесса. 3 ил., 1 табл.

Способ очистки шахтных вод от железа, включающий обработку перекисью водорода, отличающийся тем, что в воду одновременно вводят пероксид водорода и кальцинированную соду, причем водный раствор пероксида водорода добавляют в эквимолярном количестве по отношению к концентрации железа, а кальцинированную соду добавляют в эквимолярном количестве для достижения нейтрального уровня pH среды.