СПОСОБ ФТОРИРОВАНИЯ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК C02F1/68 C02F1/76 C02F103/04 

Изобретение относится к области обработки природных вод с недостаточным содержанием фтора и может быть использовано в процессах водоподготовки для питьевых и технических целей.

Известны способы фторирования воды, основанные на применении фторсодержащих реагентов: Na₂SiF₆, NaF и (NH₄)₂SiF₆, которые заключаются в загрузке одного из этих реагентов через вакуумную систему в сатуратор, где в течение не менее 5 часов путем побудительного перемешивания готовится насыщенный раствор реагента, затем в течение не менее 2 часов производится отстаивание насыщенного раствора и после этого дозирование раствора в обрабатываемую воду [1, 2]. Основными недостатками этих способов являются:

- высокая токсичность реагентов, что усложняет их приготовление, хранение и дозирование;

- длительность и сложность приготовления насыщенного раствора реагента;

- низкая точность дозирования;

- большие эксплуатационные затраты на осуществление способов фторирования.

Наиболее близким к изобретению является способ фторирования воды, заключающийся в добавлении осадка Mg(OH)F в раствор сернокислого алюминия и последующем дозировании этого раствора в обрабатываемую воду [3]. Основными преимуществами этого способа являются: упрощение технологии фторирования воды, повышение безопасности и уменьшение эксплуатационных затрат. Однако данный способ также обладает рядом недостатков:

- его можно использовать только в тех случаях, когда для обработки воды применяется коагулянт - сернокислый алюминий;

- эффективность процесса фторирования воды зависит от эффективности процесса коагуляции;

- низкая точность дозирования фтора в обрабатываемую воду;

- отсутствует возможность дозирования фтора в чистую воду, следовательно, не выполняется рекомендация, приведенная в п.3 приложения 6 [1].

Наиболее близким к изобретению является устройство, содержащее вакуум-бункер, фильтр, вакуум-насос, сатуратор, бак с раствором реагента и другие устройства, обеспечивающие известные способы фторирования воды [2] Это устройство является сложным, громоздким (время приготовления в нем раствора - более 7 часов), дорогостоящим.

Целью изобретения является расширение возможностей использования Mg(OH)F для фторирования воды, повышение эффективности, обеспечение необходимой точности дозирования в исходную воду, уменьшение строительных и эксплуатационных затрат.

Указанная цель достигается тем, что сначала готовят в течение не более чем 30 минут водную суспензию с 0,22% содержанием Mg(OH)F, которую направляют не менее чем на 20 минут в разбавитель, откуда раствор Mg(OH)F, имеющий концентрацию не более 67 г/м³ по фтору, эжектируется в общий поток обрабатываемой воды, причем расход раствора Mg(OH)F определяют на основании контроля содержания фтора в растворе и в общем потоке обрабатываемой воды по формуле:

где Q_р - расход эжектируемого раствора, м³/час;

Q_о.п. - расход общего потока обрабатываемой воды;

C_f - концентрация фтора в растворе, г/м³;

Д_f - расчетная доза фтора, вводимая в общий поток, г/м³,

которая определяется по формуле:

,

где C_{f о.п.} - нормативная концентрация фтора в питьевой воде, г/м³;

C_{f и.в.} - концентрация фтора в исходной воде, г/м³.

Приготовление суспензии Mg(OH)F на основе исходной питьевой воды и последующее растворение ее в этой же воде значительно расширяет возможности использования предлагаемого способа, так как в данном случае отсутствует необходимость «привязки» технологической схемы приготовления и дозирования фторсодержащего раствора к технологическим схемам, осуществляющим улучшение качества воды по другим показателям, таким, например, как мутность и цветность. Это создает возможности использования данного способа для фторирования всех видов питьевых вод, независимо от того, какие технологии применялись для их подготовки.

Возможность приготовления в течение 30 минут водной суспензия с 0,22% содержанием Mg(OH)F создает условия для получения за относительно короткий промежуток времени качественного фторсодержащего раствора, не содержащего побочные примеси. Это, в свою очередь, способствует повышению эффективности фторирования, уменьшению строительных и эксплуатационных затрат.

Пример 1

Для приготовления водной суспензии Mg(OH)F в питьевую воду вводились последовательно дозы реагентов в соответствии с уравнением реакции:

Для соотношения количества (молей) реагентов 1:1:1 в идеальных условиях при полной их растворимости должен получиться 1 моль Mg(OH)F. Однако в связи с тем, что растворимость в воде Са(ОН)₂ - (1,7 г/л) является минимальной по сравнению с растворимостью MgCl₂ (558 г/л) и NaF (44,4 г/л), расчет масс реагентов выполнялся по растворимости Са(ОН)₂ для того, чтобы избежать загрязнения суспензии Mg(OH)F гидрокидом кальция. В результате расчета было определено, что на 1,7 г Са(ОН)₂ приходится 2,185 г MgCl₂ и 0,966 г NaF. В процессе исследований контролировалось содержание Mg(OH)F в суспензии, время протекания реакции и наличие побочных веществ в осадке. Результаты исследований приведены в таблице 1.

Таблица 1 № опыта Дозы реагентов, г/л Содержание Mg(OH)F в суспензии, % Время реакции, мин Наличие побочных веществ в осадке NaF Ca(OH)₂ MgCl₂ 1 1 1,89 2,45 0,089 20 нет 2 1 2 2,45 0,072 20 осадок Са(ОН)₂ 3 1 1,89 2,45 0,18 25 нет 4 1 1,89 2,45 0,22 28 нет 5 1 1,89 2,45 0,21 26 нет 6 1,5 1,89 2,45 0,15 25 осадок Са(ОН)₂

Как видно из таблицы 1, при приготовлении водной суспензии Mg(OH)F в течение 28 минут (рекомендуется принять с запасом - 30 минут) можно обеспечить концентрацию 0,22%, выдерживая соотношение реагентов: 1 часть NaF; 1,89 части Са(ОН)₂ и 2,45 части MgCl₂. При такой концентрации побочные вещества в суспензии отсутствуют.

Получение в течение 20 минут раствора, имеющего концентрацию не более 67 г/м³ по фтору, также способствует повышению эффективности фторирования, уменьшению строительных и эксплуатационных затрат, а, кроме того, способствует обеспечению необходимой точности дозирования раствора в очищенную воду. Концентрация фторсодержащего раствора менее 67 г/м³ является вполне приемлемой для условий эксплуатации, так как максимальное содержание фтора в питьевой воде не должно превышать 1 г/м³.

Пример 2

Растворимость Mg(OH)F в пресной воде (теоретическая) составляет 170 г/м³ [4]. Однако если в растворном баке емкостью, например, 1 м³ производится растворение суспензии с 0,22% содержанием Mg(OH)F (220 г/м³), то при полном растворении в этом баке будет получено не более; (220·19)/60=69,66 граммов фтора, где 19 - молекулярная масса фтора; 60 - молекулярная масса Mg(OH)F. Такое уменьшение растворимости фтора в пресной воде, по сравнению с теоретической растворимостью, объясняется обменными реакциями при растворении в воде Mg(OH)F.

Для приготовления раствора фтора в природную (питьевую) воду с содержанием солей 560 г/м³ добавлялась суспензия, содержащая 220 г/м³ Mg(OH)F. При этом изменялась температура воды в пределах от 5°С до 20°С, определялось время от введения Mg(OH)F до полного растворения и определялось содержание фтора в растворе. При времени растворения более 20 минут содержание фтора в растворе практически не изменялось. Результаты определений приведены в таблице 2.

Таблица 2 № опыта Температура воды, °С Время растворения, мин Содержание фтора в растворе, г/м³ питьевая вода с содержанием солей 560 г/м³ 1 5 10 26 15 27,5 20 28,8 2 10 10 37 15 39,9 20 43,4 3 15 10 51,9 15 56,7 20 57,2 4 20 10 57,3 15 58 20 58,4 дистиллированная вода 5 2 10 65,2 15 66,5 20 67

Результаты исследований, приведенные в таблице 2, позволяют сделать следующие выводы:

1. Концентрация фтора в растворе зависит от содержания солей и температуры воды.

2. Максимальная концентрация фтора в растворе не превышает 67 г/м³.

3. Время растворения Mg(OH)F в воде не превышает 20 минут.

Эжектирование фторсодержащего раствора в общий поток обрабатываемой воды также способствует повышению эффективности процесса фторирования, так как в результате турбулентного движения воды и раствора после эжектора обеспечивается их равномерное перемешивание.

Контроль содержания фтора в эжектируемом растворе и в общем потоке обрабатываемой воды позволяет обеспечивать оперативное управление процессом точного дозирования фтора в воду, что также способствует повышению эффективности процесса.

Для обеспечения точного дозирования фтора в исходную воду отношение расходов в общем потоке воды Q_о.п. и в растворе, эжектируемом в общий поток Q_p, должно равняться отношению концентрации фтора в растворе C_f и расчетной дозы фтора Д_f, вводимой в общий поток:

Отсюда:

Величина Д_f должна определяться по формуле:

где C_{f о.п.} - нормативная концентрация фтора в питьевой воде, г/м³;

C_{f и.в.} - концентрация фтора в исходной воде, г/м³.

Указанная цель достигается тем, что устройство для фторирования воды, включающее дозаторы реагентов, емкости с механическими мешалками для приготовления фторсодержащего раствора и систему его дозирования в исходную воду, также содержит датчики уровней в реакторе и баке-разбавителе, эжектор на трубе подачи исходной воды, всасывающий патрубок которого соединен с трубой подачи раствора из бака-разбавителя, оборудованной электрофицированной задвижкой, датчики фтора, расположенные на трубе подачи исходной воды перед вводом в нее фторсодержащего раствора и после ввода, расходомеры, один из которых расположен на отводной трубе из реактора в бак-разбавитель, а второй - на трубе подачи исходной воды и блок автоматического управления, входы которого соединены с датчиками уровней, датчиками фтора и расходомерами, а выходы - с электродвигателями лопастных мешалок, дозаторами реагентов и электрофицированными задвижками.

На фиг.1 показана схема устройства для фторирования воды. Устройство содержит реактор 1, оборудованный механической лопастной мешалкой 2 с электродвигателем 3, дозатор фторида натрия 4, дозатор хлорида магния 5, дозатор гидроксида кальция 6, электрофицированную задвижку 7 и расходомер 8 на отводной трубе 9, электрофицированную задвижку 10 на трубе подачи исходной воды 11 в реактор 1, датчик уровня воды 12 в реакторе 1, расходомер 13 и датчики фтора 14 и 15 на трубе подачи исходной воды 16 в резервуар чистой воды, бак-разбавитель 17, оборудованный механической лопастной мешалкой 18 с электродвигателем 19 и датчиком уровня воды 20, электрофицированную задвижку 21 на трубе подвода раствора 22 к эжектору 23, электрофицированную задвижку 24 на трубе подачи исходной воды 25 в бак-разбавитель 17 и блок автоматического управления 26.

Устройство для фторирования воды работает следующим образом. При закрытой задвижке 7 по сигналу блока автоматического управления 26 открывается задвижка 10 на трубе 11 и происходит наполнение реактора 1 исходной водой. После наполнения реактора 1 до заданного уровня в блок 26 поступает сигнал от датчика уровня воды 12 и закрывается задвижка 10. В этот момент включаются дозаторы 4, 5 и 6, а также электродвигатель 3 механической лопастной мешалки 2. После подачи в реактор 1 соответствующих доз фторида натрия, хлорида магния и гидроксида кальция дозаторы 4, 5 и 6 выключаются. Осуществляется приготовление суспензии, содержащей твердые частицы Mg(OH)F. Через промежуток времени Т=30 минут, гарантирующий окончание приготовления данной суспензии, по сигналу блока 26 открываются задвижка 7 и затем задвижка 10. Подача воды в реактор сверху необходима для обеспечения скоростного режима движения суспензии, предотвращающего осаждение частиц Mg(OH)F на стенки трубы 16. Этот скоростной режим контролируется расходомером 8 на отводной трубе 9, по сигналам которого, поступающим в блок 26, регулируется открытие и закрытие задвижек 7 и 10.

По отводной трубе 9 суспензия Mg(OH)F подается в бак-разбавитель 17. Для интенсификации процесса растворения в баке-разбавителе работает механическая лопастная мешалка 18 с электродвигателем 19, управление которым осуществляется от блока 26. Для соблюдения необходимого режима растворения предусмотрена подпитка бака-разбавителя исходной водой по трубе 25 с помощью электрофицированной задвижки 24. Управление этой задвижкой осуществляется блоком 26 на основании сигналов от датчика уровня 20. Кроме того, от блока 26 осуществляется управление электродвигателем 19 лопастной мешалки 18 путем изменения числа оборотов на основании показаний датчика фтора 15. На основании анализа показаний датчиков фтора 14 и 15, а также расходомера 13 осуществляется блоком 26 управление задвижкой 21, обеспечивая поступление через трубу 22 и эжектор 23 в общий поток исходной воды (труба 16) эжектируемого расхода Q_p. Для обеспечения непрерывного дозирования фторсодержащего раствора в исходную воду в общей схеме сооружений необходимо предусмотреть два реактора и один бак-разбавитель, рассчитанный на время пребывания раствора в нем - не менее 20 минут.

Наличие эжектора на трубе подачи исходной воды, всасывающий патрубок которого соединен с трубой подачи раствора из бака-разбавителя, оборудованной электрофицированной задвижкой, в совокупности с расположением на той же трубе расходомера и датчиков фтора, которые соединены с входами блока автоматического управления, один из выходов которого соединен с электрофицированной задвижкой на трубе подвода фторсодержащего раствора к эжектору, позволяет обеспечить режим непрерывного, гибкого и точного дозирования фтора в исходную воду.

Расположение датчиков уровней в реакторе и баке-разбавителе, которые соединены с входами блока управления, выходы которого соединены с электрофицированными задвижками на трубе подачи исходной воды в реактор и отводной трубе, позволяет обеспечить оптимальное управление режимами подготовки и транспортирования суспензии и раствора, что также способствует повышению эффективности фторирования воды.

По сравнению с прототипом способ и устройство по изобретению обладают следующими преимуществами:

- расширяются возможности использования;

- повышается эффективность процесса фторирования;

- обеспечивается необходимая точность дозирования фторсодержащего раствора в исходную воду;

- уменьшаются строительные и эксплуатационные затраты.

Изобретение можно использовать для питьевого и технического водоснабжения.

Устройства могут быть заводского серийного изготовления.

ЛИТЕРАТУРА

1. Строительные нормы и правила. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения.: СНиП 2.04.02-84: введ. 01.01.86. - М.: Стройиздат, 1985. - С.106-108.

2. Кульский Л.А., Строкач П.П. Технология очистки природных вод. - Вища школа, 1981 - С.200-201.

3. Патент на изобретение РФ №2181700 Способ фторирования воды / Прончева Л.Е, Тихановская Г.А, Чудновский С.М… Опубликован 27.04.02 Бюл. №12.

4. Химическая энциклопедия: т.2 - М.: Сов. Энцикл., 1990, - 671 с.

Изобретение может быть использовано в процессах водоподготовки для питьевых и технических целей. Способ включает приготовление в течение не более чем 30 минут водной суспензии с 0,22% содержанием Mg(OH)F, которую направляют в разбавитель не менее чем на 20 мин. Из разбавителя раствор Mg(OH)F, имеющий концентрацию не более 67 г/м³ по фтору, эжектируют в общий поток обрабатываемой воды, причем расход раствора Mg(OH)F определяют на основании контроля содержания фтора в растворе и в общем потоке обрабатываемой воды по формуле: , где Q_p - расход эжектируемого раствора, м³/час; Q_о.п. - расход общего потока обрабатываемой воды; C_f - концентрация фтора в растворе, г/м³; Д_f - расчетная доза фтора, вводимая в общий поток, г/м³, которую определяют по формуле: , где C_{f о.п.} - нормативная концентрация фтора в питьевой воде, г/м³; C_{f и.в.} - концентрация фтора в исходной воде, г/м³. Устройство для фторирования воды включает дозаторы реагентов, реактор, бак-разбавитель, эжектор на трубе подачи исходной воды, всасывающий патрубок которого соединен с трубой подачи раствора из бака-разбавителя, датчики фтора, расположенные на трубе подачи исходной воды перед вводом в нее фторсодержащего раствора и после ввода, расходомеры и блок автоматического управления, входы которого соединены с датчиками уровней, датчиками фтора и расходомерами, а выходы - с электродвигателями мешалок, дозаторами реагентов и задвижками. Изобретение обеспечивает эффективное и точное дозирование фторсодержащего реагента, уменьшение эксплуатационных затрат. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл., 2 пр.

1. Способ фторирования воды, включающий использование в качестве фторсодержащего реагента Mg(OH)F, отличающийся тем, что сначала в течение не более чем 30 мин готовят водную суспензию с 0,22% содержанием Mg(OH)F, которую направляют не менее чем на 20 мин в разбавитель, откуда раствор Mg(OH)F, имеющий концентрацию не более 67 г/м³ по фтору, эжектируется в общий поток обрабатываемой воды, причем расход раствора Mg(OH)F определяют на основании контроля содержания фтора в растворе и в общем потоке обрабатываемой воды по формуле:

где Q_p - расход эжектируемого раствора, м³/ч;
Q_о.п. - расход общего потока обрабатываемой воды;
C_f - концентрация фтора в растворе, г/м³;
Д_f - расчетная доза фтора, вводимая в общий поток, г/м³, которая определяется по формуле:
,
где C_{f о.п.} - нормативная концентрация фтора в питьевой воде, г/м³;
C_{f и.в.} - концентрация фтора в исходной воде, г/м³.

2. Устройство для фторирования воды, включающее дозаторы реагентов, емкости с механическими мешалками для приготовления фторсодержащего раствора и систему его дозирования в исходную воду, отличающееся тем, что устройство содержит датчики уровней в реакторе и баке-разбавителе, эжектор на трубе подачи исходной воды, всасывающий патрубок которого соединен с трубой подачи раствора из бака-разбавителя, оборудованной электрофицированной задвижкой, датчики фтора, расположенные на трубе подачи исходной воды перед вводом в нее фторсодержащего раствора и после ввода, расходомеры, один из которых расположен на отводной трубе из реактора в бак-разбавитель, а второй - на трубе подачи исходной воды, блок автоматического управления, входы которого соединены с датчиками уровней, датчиками фтора и расходомерами, а выходы - с электродвигателями лопастных мешалок, дозаторами реагентов и электрофицированными задвижками.