СПОСОБ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ ВОД ОТ СОЕДИНЕНИЙ БОРА Российский патент 2024 года по МПК C02F1/58 B01J20/08 

Изобретение относится к технологии очистки природных вод от бора при подготовке поверхностных и подземных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения населенных мест и технических целей.

Известны способы очистки воды путем фильтрования через природные и техногенные гранулированные материалы, такие, как кварцевый песок, глины, природные и искусственные цеолиты, активированный оксид алюминия, а также ионообменные органические и неорганические материалы.

Для обеспечения необходимой степени очистки воды от группы наиболее распространенных загрязняющих веществ, таких как, например, железо, марганец, фтор, в том числе и бор необходимо использовать несколько фильтрующих материалов, что является основным недостатком этих способов.

Существует несколько способов очистки воды от бора: осаждение и соосаждение в виде труднорастворимых соединений (например, применение коагуляции или флокуляции); фильтрование через ионообменные смолы; мембранная технология - установки обратного осмоса.

Известен способ очистки подземных вод от ионов бора для питьевых и технических целей, заключающийся в обработке очищаемой воды в направленном ламинарном движении, при воздействии на воду постоянным электрическим полем с градиентом потенциала в пределах от 2 до 5 В/см через емкость, расположенную под углом от 30° до 45° вверх, имеющую пятиугольное поперечное сечение с параллельно расположенными инертными электродами. В верхней части емкости движение воды разделяется на два потока. Первый из которых, содержащий очищенную от ионов бора воду, направляется к потребителю по горизонтально расположенной трубе. А второй, содержащий увеличенное в процессе очистки количество ионов бора, направляется в сток по трубе меньшего диаметра, наклоненной вниз под углом от 15° до 30°. Соотношение площадей поперечного сечения горизонтально расположенной трубы и трубы меньшего диаметра составляет от 1:10 до 1:3 (патент RU 2518627).

Недостатками данного способа являются высокая стоимость и дефицит применяемых инертных электродов, а также сложность внедрения и эксплуатации для станций водоподготовки малой, средней и большой производительности.

Известен способ извлечения бора из природных рассолов, заключающийся в образовании и последующем осаждении нерастворимого и малорастворимого осадка в результате протекания химической реакции при добавлении соответствующих реагентов в очищаемую воду или при помощи электрокоагуляции (а.с. 159492).

К недостаткам способа следует отнести низкий эффект очистки (не более 15-25%) природных вод с низким содержанием бора (до 10 мг/дм³), малые скорости осаждения и фильтрования при отделении осадка. Получаемые осадки, как правило, малоконцентрированы по бору, обладают непостоянством состава и нуждаются в дополнительной переработке.

Известен способ отделения и извлечения бора из водного борсодержащего раствора. Способ включает отделение сильно диссоциированных ионов путем электромиграции сначала в одном отсеке, заполненном только катионообменным материалом, затем отделение бора путем электрохимической/химической диссоциации, ионного обмена/адсорбции и электромиграции, осуществляемое во втором отсеке, заполненном смесями катионных и анионных материалов, с последующим извлечением отделенного бора, рециркуляцией катионита, анионита и разбавленного раствора (патент RU 2319536).

Основными недостатками данного способа являются сложность конструкции и эксплуатации аппарата из-за большого количества технологических операций, высокая стоимость сооружений и значительные эксплуатационные расходы.

Известен способ удаления бора с использованием бор-селективных смол (хелатообразующих смол) с диолами в качестве комплексообразующих агентов бора (Nadav, 1999; Simonnotetal., 2000; Wilcoxetal., 2000), или макропористых смол на основе полистирола (Purolite S108, IRA-743 или АВ-29 в ОН-форме).

Однако этот способ дорогостоящий и требует проведения сложной и многостадийной процедуры регенерации. Кроме того, при извлечении бора требуется одновременное или селективное выделение присутствующих в воде анионов сильных кислот, таких как хлорид, нитрат и сульфат.

Известен способ водоподготовки, включающий фильтрование воды через слой гранулированного серпентинита с периодической его промывкой. Особенность способа заключается в использовании гранул размером 0,15-2 мм и дополнительном периодическом проведении обработки слоя серпентинита щелочным раствором для преобразования в анионообменный материал, что обеспечивает повышение сорбционной активности и расширяет ассортимент извлекаемых загрязняющих компонентов, в том числе и анионов бора (патент RU 2316479).

Однако, к недостаткам следует отнести малую избирательность в отношении борат-ионов. Кроме извлечения бора в результате ионного обмена задерживаются практически все анионы, присутствующие в воде. В таком случае рабочая емкость обработанного щелочным раствором гранулированного серпентинита будет сильно зависеть от общей минерализации воды. В случае доведения питьевых вод до нормативных требований по содержанию бора, использование данного способа не целесообразно в виду высоких объемов щелочных регенерационных растворов и, как следствие, высоких эксплуатационных затрат.

Технической задачей изобретения является разработка простого в обслуживании и эксплуатации способа очистки природных вод от соединений бора с высокой скоростью протекания процессов без образования побочных продуктов и вторичного экологического загрязнения при минимальном количестве дополнительного оборудования, с возможностью внедрения в существующие схемы водоподготовки.

Для достижения данного технического результата предложен способ очистки природных вод от соединений бора, включающий пропускание воды через фильтрующий слой. В качестве фильтрующего слоя (загрузки) используют модифицированный активный оксид алюминия, модификацию которого проводят последовательным пропусканием растворов соляной кислоты, разбавленной до массовой концентрации 1,0% и алюмината натрия концентрацией 10 г/дм³ по сухому продукту, с промежуточной промывкой фильтрующего слоя водой. Объем раствора для модификации составляет 5,0 объемов фильтрующего слоя, а объем воды для отмывки после модификации составляет 6,0 объемов фильтрующего слоя с интенсивностью отмывки 12,0 л/(с⋅м²). Периодическая регенерация фильтрующего слоя производится последовательным пропусканием растворов соляной кислоты и алюмината натрия в указанных концентрациях.

Новизна изобретения заключается в фильтровании борсодержащей природной воды через зернистую загрузку фракцией 0,8-1,5 мм модифицированного активного оксида алюминия (АОА), модификацию которого проводят последовательным пропусканием растворов соляной кислоты, разбавленной до массовой концентрации 1,0% и алюмината натрия концентрацией 10 г/дм³ по сухому продукту

Техническим результатом использования предлагаемого способа является возможность очистки борсодержащих природных вод с доведением их качества до необходимой степени очистки воды от бора не более 0,5 мг/дм³, (согласно СанПиН 2.1.3684-21). Упрощение и удешевление процесса очистки воды, содержащей бор, достигается за счет предложенного способа фильтрования через модифицированный активный оксид алюминия, с периодической его регенерацией, и использованием минимального количества вспомогательного оборудования, разработанного с возможностью его внедрения в существующие схемы водоподготовки. Очистка воды от соединений бора ведется в непрерывном режиме при высокой скорости протекания процессов, без образования побочных продуктов и продуктов, загрязняющих окружающую среду.

Сущность способа очистки природных вод от соединений бора поясняется иллюстрациями, примерами и графиками.

Фиг. 1 - Технологическая схема очистки природных вод от соединений бора, где1 - фильтр; 2 - модифицированный АОА; 3 - дренажная система; 4 - насос; 5 - емкость с раствором соляной кислоты; 6 - емкость с раствором алюмината натрия; 7 - емкость чистой воды; 8 - распределительная система; 9 - емкость для нейтрализации регенерационных растворов.

Фиг. 2 - Результаты экспериментальных исследований при скорости фильтрования V=3,0 м/ч.

Фиг. 3 - Результаты экспериментальных исследований при скорости фильтрования V=5,0 м/ч.

Очистка природной воды от соединений бора осуществляется фильтрованием через слой модифицированного активного оксида алюминия (АОА) высотой 2 м фракцией 0,8-1,5 мм. Модификацию фильтрующего слоя АОА выполняют при помощи последовательного пропускания через него раствора соляной кислоты с массовой концентрацией 1,0%, при условии разбавления исходного реагента HCl и раствора алюмината натрия с концентрацией 10 г/дм³ по сухому продукту с сопутствующими промежуточными отмывками водопроводной водой после каждого пропускания. Объем раствора для модификации загрузки АОА принимают равным 5,0 объемам фильтрующего слоя. Объем воды для отмывки АОА после модификации составляет 6,0 объемов фильтрующей загрузки с интенсивностью отмывки 12,0 л/(с⋅м²).

Скорость фильтрования 3-5 м/ч. Остаточная концентрация бора на выходе из фильтра составляет менее 0,5 мг/дм³.

Один фильтроцикл модифицированным АОА при удалении соединений бора составляет от 12 до 24 часов в зависимости от скорости фильтрования и исходного содержания бора в воде.

По окончании фильтроцикла и превышении бора более 0,5 мг/дм³ в фильтрате проводят регенерацию загрузки раствором алюмината натрия концентрацией 10 г/дм³. Регенерация загрузки соляной кислотой производится для поддержания наибольшей рабочей емкости модифицированного активного оксида алюминия и выполняется каждые четыре фильтроцикла. Увеличение количества регенераций АОА соляной кислотой, например, один раз каждые три регенерации алюминатом натрия или меньше, лучшего результата не дает.

Предлагаемый способ очистки воды от соединений бора реализуется с помощью установки (Фиг. 1).Фильтр 1 заполняют модифицированным АОА 2. На дне фильтра расположена распределительная дренажная система 3 для подачи регенерационного, взрыхляющего и отмывочного растворов, а также сбора очищенной воды. Модификация и последующая регенерация загруженной в фильтр АОА 1 производится растворами соляной кислоты и алюмината натрия. Регенерационный раствор подается последовательно насосом 4 из растворно-расходных емкостей соляной кислоты 5 и алюмината натрия 6. Отмывка между регенерациями осуществляется насосом 4 из бака чистой воды 7. Отвод регенерационного раствора кислоты и алюмината натрия из фильтра осуществляется через верхнюю распределительную систему 8 в емкость для нейтрализации регенерационных растворов 9. Отфильтрованная, очищенная от соединений бора вода отводится через верхнюю распределительную систему 8, обеззараживается перед резервуаром чистой воды и подается потребителю.

Ниже представлены конкретные примеры, подтверждающие возможность реализации предложенного способа с получением вышеуказанного технического результата.

Пример 1

В напорный фильтр типа ФОВ-1,0-0,6 загружают1,6 м³ АОА (высота загрузки дробленого АОА должна составлять 2 м) фракцией 0,8-1,5 мм. После загрузки производят взрыхление и промывку. Объем воды для первой промывки составлял 8 м³(6V_заг). Промытую загрузку АОА модифицировали последовательным пропусканием 4 м³ (5V_заг) 1%-го раствора соляной кислоты и 4 м³ (5V_заг) раствора алюмината натрия с концентрацией 10 г/дм³ по сухому продукту. После каждого пропускания кислоты и (или) алюмината натрия производили отмывку загрузки водопроводной водой. Объем отмывочной воды 4,8 м³ (6V_заг), интенсивность промывки 12,0 л/(с⋅м²). После модификации загрузки и ее отмывки на фильтр подавали подземную воду с содержанием бора 2 мг/дм³. Скорость фильтрования при очистке воды от бора составляла 3,0 м/ч. Для поддержания скорости фильтрования 3,0 м/ч на фильтр ФОВ-1,0-0,6 с рабочей площадью 0,78 м² подавали борсодержащую воду с расходом 2,34 м³/ч. Отфильтрованную воду перед подачей в резервуар чистой воды обеззараживали общепринятыми способами и подавали потребителю. Остаточная концентрация бора в воде составляла менее 0,5 мг/дм³. По истечении фильтроцикла через 24 часа фильтр, загруженный АОА, повторно регенерировали раствором алюмината натрия. Последовательная регенерация загрузки АОА раствором соляной кислоты и раствором алюмината натрия производилась по истечении 4 фильтроциклов, то есть через каждые 96 часов работы. Результаты экспериментальных исследований, выполненные при данном технологическом режиме и скорости фильтрования V=3,0 м/ч представлены на Фиг. 2.

Пример 2

В напорный фильтр типа ФОВ-1,0-0,6 загружают 1,6 м³ АОА (высота загрузки дробленого АОА должна составлять 2 м) фракцией 0,8-1,5 мм. После загрузки производят взрыхление и промывку. Объем воды для первой промывки составлял 8 м³(6V_заг). Промытую загрузку АОА модифицировали последовательным пропусканием 4 м³(5V_заг) 1%-го раствора соляной кислоты и 4 м³ (5V_заг) раствора алюмината натрия с концентрацией 10 г/дм³ по сухому продукту. После каждого пропускания кислоты и (или) алюмината натрия выполняли отмывку загрузки водопроводной водой. Объем отмывочной воды 4,8 м³ (6V_заг), интенсивность промывки 12,0 л/(с⋅м²). После модификации загрузки и ее отмывки на фильтр подавали подземную воду с содержанием бора 2 мг/дм³. Скорость фильтрования при очистке воды от бора составляла 5,0 м/ч. Для поддержания скорости фильтрования 5,0 м/ч на фильтр ФОВ-1,0-0,6 с рабочей площадью 0,78 м² подавали борсодержащую воду с расходом 3,9 м³/ч. Отфильтрованную воду перед подачей в резервуар чистой воды обеззараживали и подавали потребителю. Остаточная концентрация бора в воде составляла менее 0,5 мг/дм³. По истечении фильтроцикла в 12 часов фильтр, загруженный АОА, повторно регенерировали раствором алюмината натрия. Последовательная регенерация загрузки АОА раствором соляной кислоты и раствором алюмината натрия производилась по истечении 4 фильтроциклов, то есть через каждые 48 часов работы. Результаты экспериментальных исследований, выполненные при данном технологическом режиме и скорости фильтрования V=5,0 м/ч представлены на Фиг. 3.

Таким, образом, приведенные примеры наглядно иллюстрируют преимущество заявляемого способа очистки воды от соединений бора, обеспечивающего необходимую степень очистки воды согласно СанПиН 2.1.3684-21 (не более 0,5 мг/дм³) при высокой скорости протекания процессов и одновременном упрощении и удешевлении условий эксплуатации.

Предлагаемый способ обладает простотой в обслуживании, минимальным количеством периферийного оборудования, подобранного с возможностью его включения в существующие схемы водоподготовки, при этом не имеет побочных продуктов и не наносит вторичного экологического загрязнения.

Изобретение относится к технологии очистки природных вод от соединений бора при подготовке поверхностных и подземных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения населенных мест и может быть использовано при водоподготовке для питьевых и технических целей. Способ включает пропускание воды через фильтрующий слой. В качестве фильтрующего слоя используют модифицированный активный оксид алюминия, модификацию и дальнейшую регенерацию которого проводят последовательным пропусканием растворов 1 мас.% соляной кислоты и алюмината натрия концентрацией 10 г/дм³ с промежуточной промывкой водой фильтрующего слоя. Объем раствора для модификации составляет 5,0 объемов фильтрующего слоя. Объем воды для отмывки после модификации составляет 6,0 объемов фильтрующего слоя. Интенсивность отмывки - 12,0 л/(с⋅м²). Обеспечивается простой в обслуживании и эксплуатации способ очистки природных вод от соединений бора с высокой скоростью протекания процессов без образования побочных продуктов и вторичного экологического загрязнения при минимальном количестве дополнительного оборудования, с возможностью внедрения в существующие схемы водоподготовки. 3 ил., 2 пр.

Способ очистки природных вод от соединений бора, включающий пропускание воды через фильтрующий слой, отличающийся тем, что в качестве фильтрующего слоя используют модифицированный активный оксид алюминия, модификацию которого проводят последовательным пропусканием растворов соляной кислоты, разбавленной до массовой концентрации 1,0%, и алюмината натрия концентрацией 10 г/дм³ по сухому продукту, с промежуточной промывкой фильтрующего слоя водой, при этом объем раствора для модификации составляет 5,0 объемов фильтрующего слоя, а объем воды для отмывки после модификации составляет 6,0 объемов фильтрующего слоя с интенсивностью отмывки 12,0 л/(с⋅м²), при дальнейшей регенерации фильтрующего слоя последовательным пропусканием растворов соляной кислоты и алюмината натрия в указанных концентрациях.