Способ адсорбционной очистки воды

 

Способ относится к очистке питьевой или промышленной воды от ионов тяжелых металлов, нефтепродукта, фенола и ПАВ. Целью изобретения является повышение динамической емкости и увеличение времени работы адсорбента. Для достижения поставленной цели в качестве природного адсорбента используют кремнистую породу смешанного минерального состава, содержащую (мас. %): опал-кристобалит 30-50, цеолит 7-25, глинистую составляющую (монтмориллонит, гидрослюда) 7-25, кальцит 10-28, обломочно-песчано-алевритовый материал - остальное, которую прокалывают перед активацией при 300±5^oC, а после активации пород обрабатывают 2 н. раствором хлористого натрия. 2 табл.

Изобретение относится к способам водоподготовки и может быть использовано при очистке питьевой или промышленной воды от ионов тяжелых металлов, нефтепродуктов фенола, поверхностно-активных веществ.

Известен способ очистки питьевой воды от ионов тяжелых металлов из водных растворов путем контактирования раствора тяжелых металлов с активированным силикатным адсорбентом [1], в качестве которого применяют пористый силикатный адсорбирующий материал, содержащий остатки каолина, диатомит, летучую золу и тонкий порошок двуокиси кремния. При этом адсорбент активируют путем его обработки водным раствором основной соли щелочного металла.

Недостатком этого способа являются невысокие значения соотношения объема сорбента к объему очищенной воды, т.е. непродолжительное время работы сорбента и, следовательно, невысокая динамическая емкость по катионам металлов.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ очистки воды от ионов металлов прокаленной опокой с размером фракции (1 - 6) · 1-^-3 м, обработанной 1 - 1,5 н. водным раствором гидроксида натрия [2].

Недостатком известного способа является невысокое значение динамической емкости сорбента и непродолжительное время работы адсорбента до ПДК.

Целью изобретения является повышение динамической емкости сорбента по катионам металлов, нефтепродуктам, фенолу, ПАВ и увеличение времени работы адсорбента.

Для достижения поставленной цели в способе адсорбционной очистки воды, включающем фильтрование воды через активированный прокаленный природный адсорбент, согласно изобретению, в качестве природного адсорбента используют кремнистую породу смешанного минерального состава, содержащую (мас,%): Опал-кристобалит - 30 - 50 Цеолит - 7 - 25 Глинистую составляющую (монтмориллонит, гидрослюда) - 7 - 25 Кальцит - 10 - 28 Обмолочно-песчано-алевритовый материал - Остальное, которую прокаливают перед активацией при 300±5^oC, а после активации породу обрабатывают 2 н. раствором хлористого натрия.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что в качестве адсорбента используют новую кремнистую породу смешанного минерального состава, в которой содержание минералов, характеризующих адсорбционную активность в отношении вредных примесей, присутствующих в воде, составляет 70% и более.

Другим отличием является то, что прокаливание породы осуществляют перед ее активацией (а не после, как в прототипе), что повышает водостойкость породы при дальнейшей активации с последующей обработкой хлористым натрием.

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Известны технические решения [1,2], в которых используют прокаливание породы, но уже после активации, а также проводят активирование щелочью либо основной солью щелочного металла. Однако в указанных технических решениях не обеспечивается продолжительное время работы адсорбента до ПДК и высокая динамическая емкость сорбента, которые достигаются в заявляемом техническом решении.

В результате имеет новую совокупность признаков решения, а именно: новый адсорбент обрабатывают известными приемами, но используя иную последовательность и условия их проведения, что приводит к достижению поставленной цели. Это позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "изобретательский уровень".

Используемая кремнистая порода смешанного минерального состава отобрана с Гопродищенского, Аксинского, Татарско-Шатрашанского месторождений, расположенных на территории Татарии. Используемый адсорбент по минеральному составу содержит (мас.%): Опал-кристобалит - 30 - 50 Цеолит - 7 - 25 Глинистую составляющую (монтмориллонит, гидрослюда) - 7 - 25
Кальцит - 10 - 28
Обмолочно-песчано-алевритовый материал - Остальное.

и имеет средний химический состав по месторождениям (мас.%): SiO₂ 55,0 - 72,0; TiO₂ 0,2 - 0,4; Al₂O₃ 4,0 - 8,0; Σ Fe 1,0 - 3,0; Mn≅0,01; CaO 5,0 - 16,0; MgO 0,6 - 2,0; Na₂O 0,02 - 0,1; K₂O 0,6 - 2,0; P₂O₅ 0,02 - 0,2; SO₃<0,05.

При содержании в исходной породе оксида кальция меньше 14,0% проводят щелочную активацию с последующей обработкой 2 н. раствором хлористого натрия, что также приводит к увеличению содержания катионов натрия и обменной емкости и, следовательно, адсорбционной активности адсорбента (табл. 1, пример 16).

В табл. 1 в примерах 7 - 9 и 15 - 17 показано, что оптимальной концентрацией раствора соли натрия для последующей обработки породы как в случае кислотной, так и щелочной активации является 2 н. раствор.

Определяющими показателями при выборе концентрации натриевой соли являются водостойкость адсорбента и его обменная емкость. Эти же показатели принимаются во внимание при выборе оптимальной температуры прокаливания адсорбента. Оптимальная температура прокаливания сорбентов составляет 300^oC. Она обеспечивает повышение значений обменной емкости до 4,4 г·экв/кг (пример 3) в первом случае и 5,2 г·экв/кг (пример 12) во втором и показателя водостойкости соответственно до 96% и 98,1%. Увеличение температуры прокаливания до 350^oC хотя и повышает показатель водостойкости, но снижает значение обменной емкости (пример 4 и 13).

Пример 1 (прототип). В колбу загружают исходную опору фракции (4 - 6)·10^-3 м и 2%-ный раствор гидроксида натрия (NaOH) в соотношении Т:Ж=1:2, обработку проводят при кипении раствора в течение 2-х ч. Затем опоку отмывают до нейтральной реакции водой, высушивают на водяной бане до воздушно-сухого состояния и прокаливают при 250^oC в течение 2-х ч. при скорости подъема температуры 50^oC/ч. Прокаленную опоку взвешивают на технических весах и засыпают в стеклянную адсорбционную колонку на 2/3 по высоте
Пример 2. Используют кремнистую породу смешанного минерального состава Татарско-Шатрашанского месторождения со следующим химическим составом (мас. %): SiO₂ 57,07; TiO₂ 0,31; Al₂O₃ 5,06; Σ Fe 2,11; MnO < 0,01; CaO 15,51; MgO 1,07; Na₂O 0,12; K₂O 0,9 P₂O₅ 0,13.

В колбу загружают предварительно прокаленную при 300^oC в течение 2-х ч. (скорость подъема температуры 50^oC/ч) кремнистую породу смешанного минерального состава фракции (1,0 - 4,0)·10^-3 м и 1 н. раствор соляной кислоты (HCl) при соотношении Т:Ж=1:2. Обработку производят при кипении раствора в течение 2-х ч. Затем кремнистую породу смешанного минерального состава отмывают до нейтральной реакции водой, высушивают на водяной бане до воздушно-сухого состояния. После чего загружают ее в колбу и добавляют 2 н. раствор хлористого натрия в соотношении Т:Ж=1:2. Активацию проводят при кипении раствора в течение 1 ч. Затем адсорбент отмывают от ионов Cl^- и высушивают на водяной бане до воздушно-сухого состояния.

Пример 3. Используют кремнистую породу смешанного минерального состава Городищенского месторождения со следующим химическим составом (мас.%): SiO₂ 71,54; TiO₂ 0,29; Al₂O₃ 5,44; Σ Fe 2,06; MnO≅0,01; CaO 5,81; MgO 0,87; Na₂O 0,11; K₂O 0,88,P₂O₅ 0,11.

В колбу загружают предварительно прокаленную при 300^oC в течение 2-х ч. (скорость подъема температуры 50^oC/ч) кремнистую породу смешанного минерального состава фракции (1,0 - 4,0)·1-^-3 м и 1,25 н. раствор гидроксида натрия при соотношении Т:Ж=1:2 и проводят активацию при кипении 1 ч. Затем сорбент отмывают до нейтральной реакции водой, высушивают на водяной бане до воздушно-сухого состояния.

Затем в колбу снова загружают обработанную кремнистую породу смешанного минерального состава и 2 н. раствор хлористого натрия в соотношении Т:Ж=1:2. Активацию проводят при кипении раствора в течение 1 ч. Затем сорбент отмывают от ионов Cl^- и высушивают на водяной бане до воздушно-сухого состояния. Полученный адсорбент взвешивают на технических весах и засыпают в адсорбционную стеклянную колонку ( D = 25 мм, H = 44 мм) на 2/3 по высоте.

В качестве испытуемой воды используют воду с Волжского водозабора. Начальное содержание ионов тяжелых металлов, нефтепродуктов и поверхностно-активных веществ в испытуемой воде составило (в мг/л): Σ Fe до 5; Cu до 15; Mn до 2; Zn до 10; Cr до 1; нефтепродуктов до 0,3; фенола до 0,003; ПАВ до 0,4.

Испытуемую питьевую воду подают из емкости в адсорбционную колонку с скоростью 0,5 л/ч. Скорость подачи воды регулируют реометром. Отбор проб воды на анализ проводят через каждый час. Анализ питьевой воды до и после очистки от вредных примесей проводят на атомно-адсорбционном спектрофотометре C-115 по катионам Fa, Mn, Ni, Cu, Cr.

Определение поверхностно-активных веществ проводят по ИСО 7875/1-84. Качество воды. Определение поверхностно-активных веществ. М., 1987. IIc. УДК 543.3:661, 185.1. Группа Т 58.

Фенол определяют по ИСО 6439-84. Качество воды. Определение фенольного индекса-4-амино-антипирино. М., 1987. II с. УДК 543.38:547.56. Группа Т58.

Нефтепродукты определяют по методике, изложенной в: Лурье Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. - М., Химия, 1984. С. 269.

В табл. 2 представлены сравнительные данные по очистке воды от вредных примесей при их совместном присутствии исходными и активированными сорбентами. Как видно из приведенных в табл. 2 данных, активация кремнистой породы смешанного минерального состава различными способами, в зависимости от содержания в породе CaO, обеспечивает примерно одинаковый уровень показателей очистки воды. В то же время использование активированных кремнистых пород смешанного состава для очистки воды по сравнению с прототипом повышает соотношение сорбента к объему очищенной воды по ионам Σ Fe, Cu и нефтепродуктам в 4 - 8 раз. Для остальных загрязняющих воду примесей этот показатель повышается от 2,5 до 4 раз. Соответственно увеличивается и время работы до ПДК активированного адсорбента по заявляемому способу по ионам: Σ Fe в 8,7 и 9,6 раз; Cu в 5,3 - 5,6 раз; ПАВ в 3,3 раза; остальных примесей от 2 до 3 раза. Динамическая емкость у активированных пород смешанного минерального состава увеличивается в 7,6 - 8,8 раз при очистке от ионов Zn и в 2 - 3,5 раза при очистке от остальных загрязняющих воду примесей по сравнению с прототипом.

Использование заявляемого способа адсорбционной очистки воды позволяет: \\2 1. Повысить производительность технологического процесса за счет увеличения объема очищенной воды к объему сорбента и времени работы адсорбента.

2. Повысить качество очищаемой воды.

3. Расширить область применения природного адсорбционного сырья.

Применение активированной породы смешанного минерального состава планируется на станциях очистки питьевых вод центрального водоснабжения г. Казани (в скорых фильтрах, как фильтрующий материал вместо применяемого кварцевого песка).

Формула изобретения

Способ адсорбционной очистки воды, включающий фильтрование воды через активированный прокаленный природный адсорбент, отличающийся тем, что в качестве природного адсорбента используют кремнистую породу смешанного минерального состава, мас.%:
Опал-кристобалит - 30 - 50
Цеолит - 7 - 25
Глинистая составляющая (монтмориллонит, слюда) - 7 - 25
Кальцит - 10 - 28
Обломочно-песчано-алевритовый материал - Остальное
породу прокаливают перед активацией при 300 ± 5^oС, а после активации обрабатывают 2 н, раствором хлористого натрия.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3