Реагент для очистки сточных вод промышленных предприятий Российский патент 2022 года по МПК C02F1/28 C02F103/16 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к химической промышленности, в частности к реагенту для очистки сточных вод промышленных предприятий от загрязняющих примесей от катионов тяжелых металлов - Cu, Fe, Pb, Mn и др. Реагент представляет собой отсев щебня сталеплавильного шлака конвертерного производства.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Из уровня известен адсорбент для очистки сточных вод, раскрытый в RU 2003131515 А, опубл. 20.04.2005. В качестве адсорбента применяют феррохромный шлак.

Недостатком известного адсорбента является низкая степень очистки сточных вод.

Кроме того, из уровня техники известен адсорбент для очистки сточных вод, раскрытый в RU 1198013 А, опубл. 15.12.1985, прототип. Адсорбент представляет собой смесь тонкодисперсного механоактивированного шлака и глины.

Недостатками раскрытого выше адсорбента является низкая степень очистки сточных вод.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей заявленного изобретения является разработка реагента для очистки сточных вод промышленных предприятий из сталеплавильного шлака конверторного производства, обеспечивающего высокую степень очистки сточных вод.

Техническим результатом изобретения является повышение степени очистки сточных вод.

Указанный технический результат достигается за счет того, что реагент для очистки сточных вод промышленных предприятий от катионов тяжелых металлов, содержащий классифицированный отсев щебня сталеплавильного шлака конвертерного производства (далее - шлак) фракции 0,3-2,5 мм или фракции 2,5-5 мм, содержит 92-99,9 мас. % смеси соединений: портландит - СаО⋅H₂O, магнетит Fe₃O₄, брусит Mg(OH)₂, кальцит СаСО₃, сперрит 2Ca₂SiO₄⋅CaCO₃, алюминат кальция 5СаО⋅3Al₂O₃, шпинель MgAl₂O₄, периклаз MgO, силикат кальция Ca₂SiO₄ и 0,1-8 мас. %, по крайней мере одного элемента, выбранного из группы S, Mn, Cr, Zn, Ti, V, при этом не менее 95 мас. % частиц порошка имеют изометрическую окатанную форму, а остальные частицы имеют неизометрическую удлиненную форму.

Отсев щебня сталеплавильного шлака конвертерного производства фракции 0,3-2,5 мм или фракции 2,5-5 мм применяют в качестве реагента для очистки сточных вод промышленных предприятий от катионов тяжелых металлов.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Реагент для очистки сточных вод промышленных предприятий в виде классифицированного отсева щебня сталеплавильного шлака конвертерного производства фракции 0,3-2,5 мм или фракции 2,5-5 мм получают из несортированного отсева щебня фракции 0-10 мм сталеплавильного шлака конвертерного производства Новолипецкого металлургического комбината. Для получения конечного продукта (реагента или адсорбента) используется следующий технологический комплекс. Из буферного склада ковшовыми погрузчиками отсев шлака с влажностью не менее 10 % попадает в приемный бункер (оснащен колосниковой решеткой для исключения попадания крупных посторонних вкраплений), откуда транспортерной лентой попадает в сушильную установку, оснащенную потоковыми датчиками влажности для недопущения пересушки материала. Высушенный отсев щебня фракции 0-10 мм сталеплавильного шлака конвертерного производства поступает в систему воздушных классификаторов с группой циклонов для извлечения пылевидных мелкодисперсных фракций менее 0,3 мм из первоначальной фракции отсева щебня сталеплавильного шлака конвертерного производства, данная фракция не используется для получения конечного продукта. Фракция свыше 0,3 мм поступает в грохот линейно-кругового движения (основан на принципе каскадно-гравитационной классификации, с разделением частиц в воздушном потоке по их крупности) для рассева конечных продуктов согласно подбору необходимого фракционного состава реагента. Система аспирации грохота совмещена с аспирацией комплекса классификации и выполнена на основе рукавного фильтра. Представленная линия позволяет получить одновременно 4 класса готовых продуктов. В результате указанных выше операций получают конечный продукт - реагент в виде классифицированного отсева щебня сталеплавильного шлака конвертерного производства фракции 0,3-2,5 мм или фракции 2,5-5 мм.

Химический состав полученного классифицированного отсева щебня сталеплавильного шлака конвертерного производства фракции 0,63-10 мм представлен в таблице 1, в которой под Na₂O подразумевается содержание щелочных оксидов в пересчете на оксид натрия. В таблице 2 и 3 представлен элементарный состав отсева щебня сталеплавильного шлака конвертерного производства фракции 0,3-2,5 мм или фракции 2,5-5 мм, соответственно. Анализ на элементный состав был произведен методом рентгеновской флуоресценции. Для проведения анализа из представительной пробы была отобрана навеска шлака массой 18 г и спрессована в таблетку.

Реагент содержит 92-99,9 мас. % смеси соединений: портландит - СаО⋅H₂O, магнетит Fe₃O₄, брусит Mg(OH)₂, кальцит СаСО₃, сперрит 2Ca₂SiO₄⋅CaCO₃, алюминат кальция 5СаО⋅3Al₂O₃, шпинель MgAl₂O₄, периклаз MgO, силикат кальция Ca₂SiO₄ и 0,1-8 мас. %, по крайней мере одного элемента, выбранного из группы S, Mn, Cr, Zn, Ti, V, при этом не менее 95 мас.% частиц порошка имеют изометрическую окатанную форму, а остальные частицы имеют неизометрическую удлиненную форму.

Испытания по очистке сточных вод с использованием заявленного реагента от загрязнений катионами тяжелых металлов проводили с использованием динамического метода, либо с использованием статического метода. При динамическом методе предварительно промытый отсев щебня сталеплавильного шлака конвертерного производства фракции 0,3-2,5 мм или фракции 2,5-5 мм в количестве 15 г помещали в адсорбционную колонку, высота слоя отсева шлака в колонке составляла 3 см (для фракции 2,5-5 мм) и 5 см (для фракции 0,3-2,5). Для сорбции использовался раствор ионов меди с концентрацией 17 мг/л, который пропускали через слой отсева шлака. В таблице 4 представлены результаты проведения динамического эксперимента по очистке раствора от ионов меди. с использованием отсева щебня фракции 2,5-5 мм. В таблице 5 представлены результаты проведения динамического эксперимента по очистке раствора от ионов марганца с использованием отсева щебня фракции 0,3-2,5 мм. Результаты экспериментов по очистке растворов от других тяжелых металлов с использованием отсева щебня фракции 0,3-2,5 мм или фракции 2,5-5 мм, аналогичны результатам, раскрытым в таблицах 4-5, при этом основным механизмом очистки растворов от ионов является осаждение нерастворимых гидроксидов металлов, которые образуются за счет повышения рН из-за растворения соединений кальция, входящих в состав шлака. Механизм адсорбции привносит незначительный вклад в очистку растворов.

При статическом методе были изготовлены модельный раствор с концентрацией ионов меди 20 мг/л и навески отсева щебня фракции 0,3-2,5 мм или 2,5-5 мм различной массы, навески помещали в приготовленный раствор объемом 0,15 л и выдерживали в течение 15 мин. Результаты измерений рН растворов и эффективность очистки от ионов меди с отсевом шлака фракции 0,3-2,5 мм и 2,5-5 мм представлены в таблице 6 и 7, соответственно. Таблице 8 представлены результаты при проведении испытаний статическим методом модельного раствора содержащий ионы: меди (1,24 мг/л), железа (0,829 мг/л), свинца (0,0386 мг/л), марганца (0,164 мг/л) и мышьяка (0,0819 мг/л). Результаты экспериментов по очистке растворов от других тяжелых металлов с использованием отсева щебня фракции 0,3-2,5 мм или фракции 2,5-5 мм, аналогичны результатам, раскрытым в таблицах 6-7. На фиг. 1 раскрыта эффективность очистки от массы концентрации шлака в модельном растворе. Эффективность очистки растворов от ионов меди выше при использовании фракции шлака 0,3-2,5 мм, из-за более высокой удельной поверхности, вследствие чего соединения кальция вымываются из материала быстрее, рН растворов выше. Фракция 2,5-5,0 обладает меньшей удельной поверхностью, то эффективность взаимодействия раствора и шлака ниже, что обуславливает более низкие значения рН и неравномерное распределение зависимости очистки от массы добавки шлака. Эффективность очистки выше 90% достигается с концентрацией шлака 0,4 г/л фракции 0,3-2,5 мм, тогда как шлака фракции 2,5-5,0 мм требуется 1,3 г/л. На фиг. 2 и 3 представлена эффективность очистки шлака 0,3-2,5 и 2,5-5 мм от времени взаимодействия, соответственно. Как видно из фиг. 2 и 3 эффективность очистки выше 90% достигается за первые 5-10 минут взаимодействия. Для достижения эффективности очистки около 90% достаточным временем перемешивания является интервал 10-15 минут.

Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.

Таблица 1 Компонент СаО MgO Na₂O SiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃ P₂O₅ SO₃ Содержание, мас.% 40-50 2-4,5 0,5-1 14-15 1-5 17-23 0,7-1 0,1-0,5

Таблица 2 Соединение Содержание, мас. % Элемент Содержание, мас. % CaO 48,20 Ca 34,47 Fe₂O₃ 23,42 Fe 16,38 SiO₂ 14,80 Si 6,92 Al₂O₃ 4,86 Al 2,57 MgO 3,91 Mg 2,36 MnO 2,71 Mn 2,10 P₂O₅ 1,07 P 0,467 TiO₂ 0,276 Ti 0,166 V₂O₅ 0,217 V 0,122 S 0,212 S 0,212 Cr₂O₃ 0,175 Cr 0,120 SrO 0,0398 Sr 0,0337 K₂O 0,0391 K 0,0325 CdO 0,0159 Cd 0,0139 ZnO 0,0086 Zn 0,0069 ZrO₂ 0,0070 Zr 0,0052 Co₃O₄ 0,0068 Co 0,0050 Прочее 0,0328 Прочее 0,0328 O₂ 33,983

Таблица 3 Соединение Содержание, мас. % Элемент Содержание, мас. % CaO 47,45 Ca 33,92 Fe₂O₃ 26,56 Fe 18,57 SiO₂ 14,23 Si 6,65 Al₂O₃ 3,84 Al 2,03 MnO 3,24 Mn 2,51 MgO 2,97 Mg 1,79 P 0,501 P 0,501 TiO₂ 0,344 Ti 0,206 V₂O₅ 0,255 V 0,143 Cr₂O₃ 0,184 Cr 0,126 S 0,143 S 0,143 Na₂O 0,114 Sr 0,084 K₂O 0,0874 K 0,0726 SrO 0,0435 Sr 0,0368 ZnO 0,0089 Zn 0,0072 Co₃O₄ 0,0085 Co 0,0062 ZrO₂ 0,0066 Zr 0,0049 CuO 0,0053 Cu 0,0042 Прочее 0,0088 Прочее 0,0088 O₂ 33,1863

Таблица 4 № пробы Время, мин Количество пропущенного раствора, мл Концентрация Cu после фильтрации, мг/л Исходный раствор 0 0 17,38 1 10 50 16,63 2 20 100 16,83 3 30 150 15,47 4 40 200 15,23 5 50 250 15,67 6 60 300 14,69 7 70 350 15,31 8 80 400 16,07 9* 90 450 27,28 9** 90 450 1,80 10 100 500 16,42 11 110 550 15,91 12 120 600 15,76 13 130 650 15,00 14 140 700 15,62 15 150 750 15,94 16 160 800 15,15 17 170 850 15,62 18 180 900 16,94 19 190 950 15,95 20 200 1000 14,66

* - концентрация ионов меди в осадке

** - концентрация ионов меди в растворе после осаждения.

Таблица 5 № пробы Время, мин Количество пропущенного раствора, мл Концентрация Mn до фильтрации, мг/л Концентрация Mn после фильтрации, мг/л Исходный раствор 0 0 17,68 1 10 50 13,54 0,12 2 20 100 13,48 0,12 3 30 150 12,95 0,12 4 40 200 13,01 0,17 5 50 250 13,11 0,13 6 60 300 13,11 0,11 7 70 350 13,12 0,20 8 80 400 14,52 2,76 9 90 450 14,72 7,75 10 100 500 16,72 11,80 11 110 550 16,07 11,58

Таблица 6 № п/п Концентрация шлака
в растворе, г/л Объем раствора, л рН Эффективность очистки, % 0 0 0,15 6,506 0,00 1 0,2 0,15 8,163 81,32 2 0,4 0,15 9,472 99,80 3 0,6 0,15 9,740 98,79 4 0,8 0,15 10,360 99,79 5 1 0,15 10,674 99,66 6 1,2 0,15 10,848 98,91 7 1,4 0,15 10,894 99,22 8 1,6 0,15 11,155 99,27 9 1,8 0,15 11,105 91,73 10 2 0,15 11,240 93,00

Таблица 7 № п/п Концентрация шлака
в растворе, г/л Объем раствора, л рН Эффективность очистки, % 0 0 0,15 6,506 0,00 1 0,2 0,25 6,521 43,66 2 0,4 0,25 6,57 67,29 3 0,6 0,25 6,678 76,82 4 0,8 0,25 6,321 56,40 5 1,0 0,25 6,458 68,51 6 1,3 0,25 6,81 95,56 7 1,4 0,25 6,61 81,42 8 1,6 0,25 7,118 76,90 9 2,2 0,15 6,882 94,84 10 2,4 0,15 8,579 98,14 11 2,6 0,15 7,001 94,80

Таблица 8 № п/п Время, мин Концентрация шлака
в растворе, г/л рН, ед рН Эффективность очистки, % Cu Fe Mn Pb фракция 0,3 - 2,5 мм 1 10 0,41 9,95 92,26 92,52 93,38 99,22 2 15 0,41 10,134 97,18 85,40 91,80 97,25 3 10 0,60 10,518 97,90 92,52 95,74 99,56 4 15 0,61 10,266 94,11 94,33 97,71 99,30 5 10 0,81 10,346 97,34 95,66 97,32 98,16 6 15 0,81 10,668 98,07 90,83 97,71 98,26 фракция 2,5 - 5,0 мм 1 10 1,3 9,886 88,81 67,43 -* 95,47 2 15 1,3 10,22 91,44 86,10 - 97,67 3 10 1 9,97 93,22 86,10 86,49 97,25 4 15 1 9,884 95,85 85,27 - 98,94 5 10 1,6 9,9947 96,70 92,32 72,97 99,58 6 15 1,6 10,132 97,63 84,44 - 99,58

Изобретение относится к применению реагента, содержащего классифицированный отсев щебня сталеплавильного шлака конвертерного производства фракции 0,3-2,5 мм или фракции 2,5-5 мм, причем указанный отсев содержит 92-99,9 мас.% смеси соединений: портландит - СаО⋅H₂O, магнетит Fe₃O₄, брусит Mg(OH)₂, кальцит СаСО₃, сперрит 2Ca₂SiO₄⋅CaCO₃, алюминат кальция 5СаО⋅3Al₂O₃, шпинель MgAl₂O₄, периклаз MgO, силикат кальция Ca₂SiO₄ и 0,1-8 мас.%, по крайней мере, одного элемента, выбранного из группы S, Mn, Cr, Zn, Ti, V, для очистки сточных вод промышленных предприятий от катионов тяжелых металлов, выбранных из группы: Cu, Fe, Pb, Mn, As. 3 ил., 8 табл.

Применение реагента, содержащего классифицированный отсев щебня сталеплавильного шлака конвертерного производства фракции 0,3-2,5 мм или фракции 2,5-5 мм, причем указанный отсев содержит 92-99,9 мас.% смеси соединений: портландит - СаО⋅H₂O, магнетит Fe₃O₄, брусит Mg(OH)₂, кальцит СаСО₃, сперрит 2Ca₂SiO₄⋅CaCO₃, алюминат кальция 5СаО⋅3Al₂O₃, шпинель MgAl₂O₄, периклаз MgO, силикат кальция Ca₂SiO₄ и 0,1-8 мас.%, по крайней мере, одного элемента, выбранного из группы S, Mn, Cr, Zn, Ti, V, для очистки сточных вод промышленных предприятий от катионов тяжелых металлов, выбранных из группы: Cu, Fe, Pb, Mn, As.