СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ МЫШЬЯКА Российский патент 2012 года по МПК C02F1/28 C02F9/04 C02F1/72 C02F103/16 

Изобретение относится к области очистки воды для хозяйственных, питьевых и технологических целей и может найти применение для очистки природных (подземных и поверхностных) и техногенных вод от мышьяка.

Известен способ очистки воды от мышьяка сорбцией на исскуственно синтезированном бернессите (Manning A.B., Fendorf E.S., Bostick В. and Suarez L.D. (2002) "Arsenic (III) Oxidation and Arsenic (V) Adsorption Reactions on Synthetic Bimessite." Environmental Science and Technology. 36 (5), 976-981), в котором воду, содержащую соединения трехвалентного мышьяка, перемешивают с бернесситом в течение 1 часа при рН 6,5, при этом извлечение составляет 20-30% в форме пятивалентного мышьяка.

Недостаток указанного способа заключается в высокой стоимости синтезированного бернессита и низкой степени извлечения мышьяка.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к предлагаемому техническому решению является способ вывода мышьяка из мышьяксодержащих материалов по патенту РФ №2226562, С22В 30/04, С22В 3/20, C02F 1/62, опуб. в БИ №10, 2004, включающий осаждение растворенного мышьяка осадителем в нейтральной среде, при этом в качестве осадителя мышьяка используют сульфат железа III в весовом соотношении 3,5÷5,5:1 к растворенному мышьяку в присутствии окислителя. Для перевода ионов Fe²⁺→Fe³⁺ и As³⁺→As⁵⁺ необходимо использовать какой-либо окислитель, например пиролюзит (MnO₂).

Основным недостатком данного способа является использование химических реагентов в качестве осадителей, для приготовления растворов которых требуется дополнительное оборудование. Кроме того, процесс выделения мышьяка достаточно продолжительный, необходимое время контакта составляет 3 часа. Остаточные концентрации мышьяка не отвечают норме ПДК: на сточную воду - 50 мкг/л; на питьевую - 10 мкг/л.

Технической задачей предлагаемого способа является обеспечение высокого качества очистки воды от мышьяка и удешевление процесса за счет использования высокоэффективного, дешевого природного сорбента для связывания мышьяка в труднорастворимые соединения и доступного минерального катализатора процесса окисления трехвалентного мышьяка до пятивалентного.

Это достигается тем, что в способе очистки воды от мышьяка, включающем окисление трехвалентного мышьяка (As³⁺) до пятивалентного (As⁵⁺) и последующую сорбцию As⁵⁺, согласно техническому решению окисление осуществляют на псиломелане, а сорбцию - на брусите.

Известно, что соединения As³⁺ более токсичные, чем As⁵⁺, но извлечение соединений As³⁺ из водных растворов затруднено, т.к. они хорошо растворимы. Для повышения эффекта очистки от As³⁺ необходимо предварительно окислить его до As⁵⁺. С этой целью воду фильтруют через слой псиломелана, который является природной смесью оксидов марганца - активных катализаторов процесса окисления As³⁺→As⁵⁺ и одновременно сорбентом. Этот процесс также может быть осуществлен в статическом режиме добавкой псиломелана крупностью <0,1 мм в обрабатываемую воду и перемешиванием в течение 30÷60 минут. Далее осадок отделяют отстаиванием или фильтрацией.

После окисления As³⁺→As⁵⁺ воду подают на фильтр, заполненный бруситом, где происходит сорбция мышьяка с образованием труднорастворимого арсената магния (ПР _Mg3(AsO4)2-2,1·10^-20). В результате такой обработки получают воду, в которой содержание мышьяка ниже нормы ПДК - 10 мкг/л. Эта стадия также может быть выполнена в статическом режиме добавкой брусита крупностью 10÷50 мкм, перемешиванием в течение 30 минут с последующим отделением осадка отстаиванием или фильтрацией.

Режим обработки на псиломелане и брусите выбирают в зависимости от условий производства.

Сорбент с сорбированным мышьяком может быть захоронен, т.к. мышьяк находится в труднорастворимом соединении, или мышьяк с поверхности сорбента может быть десорбирован растворами кислот или щелочей для получения товарного продукта.

Предлагаемый способ отличается высокой эффективностью, простотой выполнения и дешевизной. Использование псиломелана - природного катализатора процесса окисления As³⁺→As⁵⁺ и высокоэффективного, дешевого природного сорбента для удаления из природных и техногенных вод мышьяка позволяет получить воду гарантированно высокого качества, в том числе удовлетворяющую ПДК на питьевую и сточную воду по мышьяку с одновременной очисткой от других загрязняющих веществ.

Сущность изобретения иллюстрируется тремя примерами конкретной реализации способа, таблицей и чертежом.

Пример 1. Воду, содержащую 80÷100 мкг/л As³⁺ в форме арсенита натрия, фильтруют через фильтровальную колонку, заполненную бруситом. Крупность фильтрующей загрузки 0,5÷3,0 мм. Высота фильтрующего слоя 500 мм. Диаметр колонок 19 мм, Линейную скорость фильтрации поддерживают в пределах 1,0÷1,3 м/ч. Степень извлечения мышьяка составила 32%.

Пример 2. Воду, содержащую 80÷100 мкг/л As³⁺ в форме арсенита натрия, фильтруют последовательно через фильтровальную колонку, заполненную псиломеланом, и далее подают на колонку, заполненную бруситом. Крупность фильтрующих загрузок 0,5÷3,0 мм. Высота фильтрующего слоя 500 мм. Диаметр колонок 19 мм. Линейную скорость фильтрации поддерживают в пределах 1,0÷1,3 м/ч. В непрерывном режиме было пропущено 90 л воды, что составило 900 объемов относительно объема загрузки каждой колонки (0,1 л). Пробы для определения концентрации мышьяка в фильтрате отбирают после каждого фильтра. После контакта с псиломеланом концентрация мышьяка в воде снижалась до 40÷50 мкг/л в продолжение всего эксперимента. После брусита концентрация мышьяка удерживалась ниже 10 мкг/л в 600 относительных объемах пропущенной воды и 10÷15 мкг/л еще в 300 объемах (см. чертеж, где С_исх - исходная концентрация мышьяка в воде).

Необходимо отметить, что одновременно с извлечением мышьяка происходит очистка воды от цветных металлов, органических примесей, радионуклидов и др.

Пример 3. Сточную воду одного из предприятий горно-перерабатывающей промышленности, содержащую соединения As³⁺ и цветные металлы, обрабатывают в статическом режиме. Один литр сточной воды нейтрализуют добавлением раствора щелочи или брусита крупностью 10÷50 мкм до рН ~3,0, добавляют 3 г псиломелана крупностью <0,1 мм для окисления As³⁺→As⁵⁺, перемешивают на магнитной мешалке в течение 30 минут, отделяют осадок отстоем или фильтрацией. Затем в воду добавляют 5 г брусита крупностью 10÷50 мкм в качестве сорбента, перемешивают на магнитной мешалке в течение 30 минут, отделяют осадок отстоем или фильтрацией. В воде определяют остаточные концентрации мышьяка и металлов. Результаты представлены в таблице.

  Концентрация, мг/л As Cu Ni Al Fe Mn Pb рН Сточная вода 32,2 >1000 3,7 37,3 431,1 4,0 >1000 1,54 Очищенная вода н/об 115,0 1,1 н/об н/об 3,6 114,0 5,97

В результате очистки сточной воды сложного состава по предлагаемому способу мышьяк, алюминий, железо удаляют полностью, концентрацию меди и свинца снижают на порядок, никеля - в 3,5 раза, марганца - на 10%.

Изобретение может быть использовано для очистки природных (подземных и поверхностных) и техногенных вод от мышьяка. Способ включает окисление на псиломелане трехвалентного мышьяка до пятивалентного и последующую сорбцию последнего на брусите. При этом окисление трехвалентного мышьяка осуществляют фильтрацией через слой псиломелана или путем добавления в обрабатываемую воду псиломелана крупностью менее 0,1 мм, перемешивания в течение 30-60 минут с последующим отделением осадка. Сорбцию осуществляют путем фильтрации обрабатываемой воды через слой брусита или путем добавления в обрабатываемую воду брусита крупностью 10÷50 мкм, перемешивания в течение 30 минут с последующим отделением осадка. Способ обеспечивает высокое качество очистки воды и удешевление процесса за счет использования природного сорбента и доступного минерального катализатора процесса окисления. 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ очистки воды от мышьяка, включающий окисление трехвалентного мышьяка до пятивалентного и последующую сорбцию пятивалентного мышьяка, отличающийся тем, что окисление осуществляют на псиломелане, а сорбцию - на брусите.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что окисление трехвалентного мышьяка осуществляют фильтрацией через слой псиломелана.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что окисление трехвалентного мышьяка осуществляют путем добавления в обрабатываемую воду псиломелана крупностью <0,1 мм, перемешивания в течение 30-60 мин с последующим отделением осадка.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что сорбцию осуществляют путем фильтрации обрабатываемой воды через слой брусита.

5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что сорбцию осуществляют путем добавления в обрабатываемую воду брусита крупностью 10÷50 мкм, перемешивания в течение 30 мин с последующим отделением осадка.