КОМПОЗИЦИОННЫЙ РЕАГЕНТ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ Российский патент 2025 года по МПК C02F1/52 C02F1/66 

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, к процессам водоочистки и водоотведения и может быть использовано для производства реагентов, применяющихся для очистки поверхностных, подземных, технологических и промышленных многокомпонентных сточных вод.

Известен состав порошкообразного железокремниевого флокулянта-коагулянта с концентрацией действующих веществ 45-48% [патент RU 2438993 С1 Способ получения железокремниевого флокулянта-коагулянта и способ обработки воды, опубл. 10.01.2012, бюл. №1.], полученного смешением исходных компонентов – сульфата железа (II) (FeSO₄ ⋅ 4H₂O), безводного сульфата натрия (Na₂SO₄) и концентрированной серной кислоты (96%-ной), либо сульфата железа (II) и гидросульфата натрия (NaHSO₄ ⋅ H₂O) с добавлением безводного силиката натрия с модулем 1,5–3,0 («Моносил») при их массовом соотношении 1,5 : 2,1 : 0,6 : 1 либо 1,5 : 1,4 : 1, соответственно.

Недостатком данного решения является использование в качестве коагулянта и флокулянта химически чистых реагентов, невозможность применения в составе композиции комбинированных коагулянтов-флокулянтов и корректирующих добавок.

Известен состав раствора коагулирующе-флокулирующего реагента, характеризующегося молярным соотношением Fe_общ. : SiO₂ = 1 : (0,2-1,7), полученного путем обработки металлкремнийсодержащего материала – отходов горнообогатительных предприятий и/или шлаков металлургических производств, содержащих фаялит и/или оливин, 5-25%-ной серной или соляной кислотой при ее расходе 60–100% о стехиометрии [патент RU 2131849 Способ получения коагулирующе-флокулирующего реагента и способ обработки воды, опубл. 20.06.1999]. При очистке сточных вод раствором флокулянта-коагулянта для создания необходимого рН раствора для обеспечения гидролиза и коагуляции используют дополнительные реагенты - доломит, известковое молоко.

К недостаткам данного решения относятся:

- невысокие показатели качества очищенной воды при использовании данного коагулирующе-флокулирующего реагента,

- не стабильность свойств при длительном хранении и транспортировке,

- сложная технологическая схема очистки водных растворов.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является «Твердый композиционный реагент для очистки водных растворов и способ очистки водных растворов» [Патент Епв № 036588 опубл. 26.11.2020]. Твердый композиционный реагент получают в виде порошков, гранул, пеллет, таблеток для очистки водных растворов, содержащий коагулянт и флокулянт при их массовом соотношении от 5 : 1 до 20 : 1, причем в качестве коагулянта используется сульфат алюминия или полигидроксохлорид алюминия, в качестве флокулянта - катионный флокулянт, и дополнительно содержащий сорбент NaX, регулятор рН среды - гидрокарбонат натрия и обеззараживающее средство - дихлоризоцианурат натрия.

Недостатками данного технического решения являются:

- невысокие показатели качества очищенной воды при использовании данного коагулирующе-флокулирующего реагента;

- не стабильность свойств при длительном хранении и транспортировке;

- сложная технологическая схема очистки водных растворов;

- использование дорогостоящих химически чистых препаратов – коагулянтов (Al₂(SO₄)₃ и Al₂(OH)₅Cl) и флокулянта (Mangafloc);

- использование гидрокарбоната натрия в качестве регулятора рН среды, что приводит к увеличению концентрации баластных компонентов, например, ионов Na⁺, которые повышают минерализацию очищенной воды.

Изобретение направлено на разработку состава твердого композиционного реагента для очистки водных растворов, с высокими показателями качества, обладающего высокой стабильностью свойств (срок хранения продукта не менее 12 месяцев), простотой и экономичностью хранения, дозирования и транспортировки, а также позволяющего повысить эффективность очистки - снизить минерализацию очищенной воды и достичь нормируемых показателей качества очищенной воды.

Это достигается тем, что композиционный реагент для очистки водных растворов, включает коагулянт, флокулянт и регулятор рН, при этом в качестве коагулянта используется комбинированный железокремниевый коагулянт-флокулянт, в качестве флокулянта используется анионный флокулянт, а в качестве регулятора рН используется смесь гидроксида кальция и гидрокарбоната натрия при следующем содержании компонентов, мас.%: комбинированный железокремниевый коагулянт-флокулянт – 52,0-57,0; флокулянт анионный – 0,3-0,5; гидроксид кальция – 21,35-23,75; гидрокарбонат натрия – 21,35-23,75.

Сопоставимый анализ с прототипом показывает, что заявляемый состав композиционного реагента для очистки водных растворов отличается тем, что в качестве коагулянта используется комбинированный железокремниевый коагулянт-флокулянт, в качестве флокулянта используется анионный флокулянт, а в качестве регулятора рН используется смесь гидроксида кальция и гидрокарбоната натрия при следующем содержании компонентов, мас.%: комбинированный железокремниевый коагулянт-флокулянт – 52,0-57,0; флокулянт анионный – 0,3-0,5; гидроксид кальция – 21,35-23,75; гидрокарбонат натрия – 21,35-23,75.

Таким образом, заявляемое решение соответствует критерию изобретения «новизна».

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими известными техническими решениями в данной области не подтвердило наличия в последних признаков, совпадающих с его отличительными признаками, или признаков, влияющих на достижение указанного технического результата. Это позволило сделать вывод о соответствии изобретения критерию «изобретательский уровень».

Характеристика компонентов

1. Комбинированный железокремниевый коагулянт-флокулянт, полученный по способу, разработанному на кафедре промышленной экологии Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, опубликованному в статье [Свергузова СВ., Старостина И.В., Суханов Е.В., Сапронов Д.В. Влияние условий модификации пыли ЭСПЦ на ее коагуляционные свойства // Вестник технологического университета. 2016. Т.19. № 3. С. 113-115.]. К 500 мл 4 Н раствора Н₂SO₄ добавляли отход электросталеплавильного цеха (ЭСПЦ) - пыль очистки отходящих газов электродуговой выплавки стали Оскольского электрометаллургического комбината (ОЭМК) массой 5 г (соотношение Т:Ж = 1:100), суспензию кипятили 10 минут, после кипячения содержимое лабораторной емкости высушивали при температуре 105ºС.

Химический состав комбинированного железокремниевого коагулянта-флокулянта представлен в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав КФК, мас. %

Fe₂O₃ SiO₂ CaO Na₂O₃ MgO K₂O₃ MnO Al₂O₃ SO₃ ZnO 31,82 4,01 5,88 3,19 3,15 2,49 0,94 0,54 46,46 1,52

2. Гидроксид кальция (Са(ОН)₂) - известь строительная, с содержанием активных (СаО+MgO) 85%, ГОСТ 9179-2018.

3. Натрий гидрокарбонат (NaHCO₃), ГОСТ 4201-79.

4. Флокулянт анионный – StabVisco FA1825Н РWG, ТУ 2216-004039727975-2015.

Оптимальное соотношение компонентов, выраженное в их процентном содержании, определяли экспериментальным путем. В процессе исследования готовили 5 составов композиционного реагента для изучения его свойств. Количественное содержание компонентов композиционного реагента приведено в табл. 2.

Таблица 2

Составы композиционного реагента для очистки водных растворов

№
состава Содержание компонентов, мас.% КФК флокулянт
анионный Массовое соотношение
КФК : флокулянт анионный гидроксид кальция гидро-
карбонат натрия 1 50 0,25 200 : 1 24,38 24,38 2 52 0,50 104: 1 23,75 23,75 3 55 0,44 125 : 1 22,28 22,28 4 57 0,30 190 : 1 21,35 21,35 5 58 0,62 93,5 : 1 20,69 20,69

Массовое соотношение КФК : анионный флокулянт = (104 - 190) : 1 обеспечивает снижение содержания химически чистого флокулянта в составе композиционного реагента.

Вследствие введения в водный раствор реагента, содержащего в качестве регуляторов рН смесь гидроксида кальция и гидрокарбоната натрия, осуществляются химические реакции по их взаимодействию с серной кислотой, образующейся в результате осуществления процесса гидролиза компонентов коагулянта (FeSO₄ и Fe₂(SO₄)₃), согласно схеме:

гидролиз FeSO₄

2 FeSO₄+2H₂O=[Fe(OH)]₂SO₄+H₂SO₄

[Fe(OH)]₂SO₄+2H₂O=2Fe(OH)₂+ H₂SO₄

гидролиз Fe₂(SO₄)₃

Fe₂(SO₄)₃+2H₂O=2FeOHSO₄+ H₂SO₄

2FeOHSO₄+2H₂O=[Fe(OH)₂]₂ SO₄+ H₂SO₄

[Fe(OH)₂]₂ SO₄ +2H₂O=2Fe(OH)₃+ H₂SO₄

H₂SO₄ + 2NaHCO₃ = Na₂SO₄ + 2H₂O + 2CO₂,

H₂SO₄ + Сa(ОH)₂ = СaSO₄ + 2H₂O,

Происходит образование преимущественно нерастворимого соединения СaSO₄, которое оседает под действием гравитационных сил и совместно со взвешенными веществами, коагулянтами и флокулянтами формирует шлам, что приводит к снижению содержания растворимых солей в очищенной воде, т.е. уменьшению минерализации очищенной воды, что отражается на повышении эффективности очистки водных растворов по содержанию сухого остатка.

Пример получения композиционного реагента для очистки водных растворов (табл. 2, состав 2)

Композиционный реагент изготавливают путем смешения порошка комбинированного железокремниевого коагулянта-флокулянта массой 52 г, порошка флокулянта анионного в количестве 0,5 г, порошка регулятора рН - смеси гидрокарбоната натрия и гидроксида кальция массой по 23,75 г каждый. Полученный порошкообразный композиционный реагент имеет следующие характеристики - табл. 3.

Таблица 3

Характеристики твердого композиционного реагента

№
п/п Параметр Величина 1 Насыпная плотность, кг/м³ 740 - 760 2 Гранулометрический состав – остаток на сите № 008, мас.%, не более 10,0 3 Угол откоса, ° 36

Эффективность очистки, при использовании предлагаемого композиционного реагента для очистки водных растворов, проверялась следующим образом.

Введение полученного порошкообразного композиционного реагента производили путем дозации в сухом виде в водный раствор, например, сточную воду цеха убоя птицеперерабатывающего предприятия объемом 1 дм³ при интенсивном перемешивании со скоростью 500 об/мин в течение 1 мин, а затем продолжают перемешивание в течение 10 мин со скоростью 50 об/мин. Полученную смесь отстаивали в течение 1 ч для осаждения образовавшихся флоккул и осветления воды, затем отбирали пробу из середины слоя воды и проводили определение основных параметров.

Качество очистки водных растворов оценивали следующим показателям: мутность, ХПК (химическое потребление кислорода), БПК (биохимическое потребление кислорода), массовая концентрация взвешенных веществ, массовая концентрация фосфат-ионов.

Примеры составов твердого композиционного реагента представлены в табл. 3 и результаты очистки сточной воды с их использованием - в табл. 4.

Из табл. 4 видно, что использование для очистки сточных вод цеха убоя птицеперерабатывающего предприятия композиционного реагента с содержанием КФК в интервале 52-57%, что соответствует диапазону соотношения: КФК : анионный флокулянт = (104 - 190) : 1, является оптимальным для образования быстроседиментирующих флокул и обеспечивает высокие параметры эффективности очистки водных растворов по рассматриваемым показателям.

Таблица 4

Результаты использования КР для очистки сточной воды цеха убоя птицеперерабатывающего предприятия

№
п/п Показатель Единица
измерения Сточная вода Эффективность очистки, % исходная очищенная с использованием КР, состав с использованием КР, состав 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 Мутность NTU 146 85 11 10 9 68 41,8 92,5 93,2 93,8 53,4 2 Водородный показатель (рН) ед. рН 7,67 7,8 6,96 7,13 7,14 6,1 3 Химическое потребление кислорода (ХПК) мгО/дм³ 1020 625 298 242 229 453 38,7 70,8 76,3 77,6 55,6 4 Биохимическое потребление кислорода (БПК₅) мгО₂/дм³ 504 335 186 125 127 202 53,4 63,1 75,2 74,8 33,5 5 Массовая концентрация взвешенных веществ мг/дм³ 276 115 34 32 31 118 58,3 87,7 88,4 98,9 57,2 6 Массовая концентрация фосфат-ионов мг/дм³ 8,1 0,35 0,242 0,232 0,231 0,8 95,7 97,0 97,1 97,2 90,1

Использование композиционного реагента с содержанием КФК менее 52% (в составе № 1 - 50%) при соотношении КФК : анионный флокулянт = 200 : 1, является неэффективным, так как недостаточное содержание КФК и анионного флокулянта приводит к низким значениям эффективности очистки - по взвешенным веществам и мутности составляет 58,3% и 41,8%, соответственно.

При содержании КФК в составе твердого композиционного реагента более 57% (в составе № 5 - 58%) при соотношении КФК : анионный флокулянт = 94 : 1, не обеспечивается достаточная нейтрализация серной кислоты, образующейся в результате гидролиза КФК, поэтому рН очищенной воды не превышает 6,1, что недопустимо. Кроме того, присутствие свободной кислоты в очищаемой воде приводит к затормаживанию гидролиза КФК и уменьшению количества хлопьев гидроксидов железа – продуктов гидролиза, участвующих в образовании седиментирующих флокул и очищении водного раствора.

Установлено, что наиболее оптимальным содержанием КФК в составе твердого композиционного реагента является диапазон 52-57%, что соответствует диапазону соотношения КФК : анионный флокулянт = (104 – 190) : 1.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, к процессам водоочистки и водоотведения. Композиционный реагент для очистки водных растворов включает коагулянт, флокулянт и регулятор рН. В качестве коагулянта используется комбинированный железокремниевый коагулянт-флокулянт, в качестве флокулянта - анионный флокулянт, а в качестве регулятора рН - смесь гидроксида кальция и гидрокарбоната натрия. При этом композиционный реагент содержит 52-57 мас.% железокремниевого коагулянта-флокулянта, 0,3-0,5 мас.% анионного флокулянта, 21,35-23,75 мас.% гидроксида кальция и 21,35-23,75 мас.% гидрокарбоната натрия. Обеспечивается композиционный реагент, обладающий высокой стабильностью свойств, простотой и экономичностью хранения, дозирования и транспортировки, а также позволяющий повысить эффективность очистки - снизить минерализацию очищенной воды и достичь нормируемых показателей качества очищенной воды. 4 табл.

Композиционный реагент для очистки водных растворов, включающий коагулянт, флокулянт и регулятор рН, отличающийся тем, что в качестве коагулянта используется комбинированный железокремниевый коагулянт-флокулянт, в качестве флокулянта используется анионный флокулянт, а в качестве регулятора рН используется смесь гидроксида кальция и гидрокарбоната натрия при следующем содержании компонентов, мас.%:

комбинированный железокремниевый коагулянт-флокулянт 52,0-57,0;

флокулянт анионный 0,3-0,5;

гидроксид кальция 21,35-23,75;

гидрокарбонат натрия 21,35-23,75.