Способ адсорбционной очистки воды

 

Изобретение относится к способам водоподготовки и может быть использовано при очистке питьевой или промышленной воды минерализованных источников с высоким содержанием солей жесткости от ионов тяжелых металлов, нефтепродуктов, фенола, поверхностно-активных веществ и солей жесткости. Сущность изобретения: адсорбционную очистку воды проводят путем фильтрования ее через предварительно прокаленный, активированный природный адсорбент, представляющий собой кремнистую породу смешанного минерального состава, отобранную с месторождений Татарстана, содержащую, мас.%: опал-кристобалит 51 - 70, цеолит 9 - 25, глинистую составляющую (монтмориллонит, гидрослюда) 7 - 15, кальцит 10 - 25, обломочно-песчано-алевритовый материал - остальное, активацию которой проводят 2н. HCl при комнатной температуре в течение 20 мин до содержания CaO в адсорбенте не более 4%. Технический результат: повышение степени очистки воды от солей жесткости, увеличение продолжительности работы адсорбента и его динамической емкости по солям жесткости, а также расширение ассортимента адсорбционного сырья. 3 табл.

Изобретение относится к способам адсорбционной очистки воды и может быть использовано при очистке питьевой или промышленной воды, минерализованных источников с высоким содержанием солей жесткости от ионов металлов, нефтепродуктов, фенола, поверхностно-активных веществ.

Известен способ очистки воды от ионов тяжелых металлов прокаленной опокой с размером фракции (1 - 6) · 10^-3 м, обработанной 4 - 5% водным раствором гидроксида натрия /1/.

Недостатком известного способа является недостаточное время работы адсорбента до ПДК.

Известен способ адсорбционной очистки воды путем фильтрации через кремнистую породу смешанного минерального состава, содержащую, мас.%: Опал-кристобалит - 30 - 49 Цеолит - 7 - 25 Глинистая составляющая - 7 - 25 Обломочно-песчано-алевритовый материал - Остальное с диаметром пор по бензолу 6,3 - 5,0 нм, предельный сорбционный объем которых составляет 0,025 - 0,045%.

Недостатком известного способа является недостаточная степень очистки воды как от ионов тяжелых металлов, так и от солей жесткости. Вследствие чего применение данного адсорбента возможно только для очистки вод поверхностных источников хозяйственного бытового водоснабжения от ионов металлов и других вредных веществ при жесткости воды не более 7 мг·экв/л.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ адсорбционной очистки воды, заключающейся в фильтровании воды через кремнистую породу смешанного минерального состава, содержащую в мас.%: Опал-кристобалит - 30 - 50 Цеолит - 7 - 25 Глинистая составляющая (монтморилдонит, слюда) - 7 - 25 Кальцит - 10 - 28
Обломочно-песчано-алевритовый материал - Остальное,
которую прокаливают перед активацией при 300 ± 5^oC, а после активации обрабатывают 2н. раствором хлористого натрия.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе недостаточная степень очистки воды от солей жесткости Ca²⁺ и Mg²⁺ и невысокая динамическая емкость по этим ионам. Кроме того, обработку породы проводят при температуре кипения раствора, что требует использования дорогостоящего эмалированного оборудования, трудоемкого технологического оформления процесса активации сорбента.

Задачей изобретения является повышение качества очищаемой воды, очистка вод не только от ионов металлов, фенола, нефтепродуктов, СПАВ, но и от солей жесткости (Ca²⁺ и Mg²⁺) при их содержании в исходной воде до 15 мг·экв/л с использованием активированных адсорбентов - кремнистых цеолитсодержащих пород смешанного минерального состава месторождений Республики Татарстан.

Техническим результатом изобретения является повышение степени очистки воды от ионов металлов, в том числе дополнительно от солей жесткости (Ca²⁺ и Mg²⁺) при их содержании в исходной воде до 15 мг·экв/л, увеличение продолжительности работы адсорбента и его динамической емкости, а также расширения ассортимента сортимента адсорбционного сырья.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе адсорбционной очистки воды, включающем фильтрование воды через предварительно прокаленный активированный природный адсорбент, согласно изобретению в качестве природного адсорбента используют кремнистую породу смешанного минерального состава, отобранную с месторождений Татарстана, содержащую в мас.%: опал-кристобалит 51 - 70, цеолит 9 - 25, глинистую составляющую (монтмориллонит, гидрослюда) 7 - 15, кальцит 10 - 25, обломочный песчано-алевритовый материал - остальное, активацию которой проводят при комнатной температуре раствором 2н. соляной кислоты в течение 20 минут до содержания CaO в адсорбенте не более 4%.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что в качестве адсорбента используют более качественное сырье - кремнистую породу смешанного минерального состава, в которой содержание опал-кристобалита находится в пределах 51 - 70%, CaO от 5,0 до 16%. В активированном сорбенте содержание CaO не превышает 4% (табл. 1), что позволяет дополнительно проводить очистку воды от солей жесткости.

Проведение активации в мягких условиях, обработка HCl при комнатной температуре позволяют получить адсорбент более высокого качества по сравнению с прототипом по физико-механическим и структурным свойствам (табл. 2). Повышение физико-механических свойств - водостойкости от 96,3% до 98,2 - 99,3% и механической прочности на раздавливание от 125 до 206 · 10⁴ кг/м² позволяет увеличить срок службы адсорбента.

Увеличение среднего диаметра пор по бензолу от 7,1 до 8,6 нм и предельного объема адсорбционного пространства от 0,053 до 0,083 · 10^-3 м³/1 приводит к улучшению структурных свойств, что позволяет извлекать из воды крупные молекулы вредных веществ, а именно ионы Ca²⁺ и Mg²⁺.

В результате имеем новую последовательность признаков решения, а именно новый адсорбент обрабатывают известными приемами, но используя иные условия их проведения, что приводит к достижению указанного технического результата.

Проведенный заявителями анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволили установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований для достижения технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Выполнение предложенного способа иллюстрируется следующим примером.

Пример 1 (по прототипу). В качестве адсорбента используют кремнистую породу смешанного минерального состава, содержащую в мас.%: опал-кристобалит 30 - 50, цеолит 7 - 25, глинистую составляющую 7 - 25, кальцит 10 - 28, обломочно-алевритовый материал - остальное, отобранную с месторождений Татарстана. Породу перед активацией прокаливают при 300 ± 5^oC, активируют 1 н HCl при кипении раствора в течение 2 часов и затем дополнительно обрабатывают 2н. раствором хлористого натрия. Химический состав исходного и активированного сорбента приведен в табл.1. Основные физико-механические характеристики полученного адсорбента приведены в табл. 2. Показатели очистки воды, полученные по прототипу - адсорбенту, приведена в табл. 3.

Пример 2. В качестве адсорбента используют кремнистую породу смешанного минерального состава, содержащую в мас.%: опал-кристобалит 51 - 70, цеолит 9 - 25, глинистую составляющую (монтмориллонит, гидрослюда) 7 - 15, кальцит 10 - 25, обломочно-песчано-алевритовый материал - остальное, отобранную с месторождений Татарстана.

Адсорбент в воздушно-сухом состоянии дробят, измельчают и рассеивают на ситах, выделяют фракцию (1,0 - 4,0) · 10^-3 м. Пробу прокаливают (скорость подъема температуры 50^oC в час) в электропечи при 300^oC в течение 2-х часов. В фарфоровый стакан загружают предварительно подготовленную пробу и 2н. раствор соляной кислоты (HCl) при соотношении Т : Ж = 1 : 2. Обработку проводят при комнатной температуре в течение 20 мин, периодически перемешивая стеклянной палочкой. Затем сливают раствор соляной кислоты и адсорбент нейтрализуют 0,05 н раствором NaOH до pH = 7,0.

Химический состав исходной и активированной породы при различных условиях активации приведен в табл. 1 (примеры 3 - 5 с содержанием CaO в исходной породе 9,98%; примеры 6 - 8 с содержанием CaO в исходной породе 5,40%). В табл. 2 приведены основные физико-механические характеристики природного адсорбента, полученного при различных условиях активации (примеры 3 - 5). В табл. 3 приведены показатели очистки воды с заявляемым адсорбентом (пример 2).

В качестве испытуемой воды используют промышленную воду, либо модельную смесь (вода дистиллированная + примеси). Концентрации металлов в модельной смеси соответствуют возможному содержанию их в промышленных водах: общая начальная жесткость (Ca²⁺ + Mg²⁺) в пределах до 15 мг·экв/л. За проскоковые приняты следующие концентрации металлов согласно ГОСТу 2874-82: общая жесткость не более 7 мг·экв/л, железо - не более 0,3 мг/л, медь - не более 1,0 мг/л, никель - не более 0,02 мг/л, марганец - не более 0,1 мг/л, цинк - не более 0,5 мг/л, фенолы - не более 0,001 мг/л.

Навеску адсорбента 0,080 - 0,150 кг засыпают в адсорбционную колонку на 2/3 по высоте.

Процесс адсорбции проводят при температуре 20 ± 5^oC. Из емкости исследуемую воду постоянной начальной концентрации через ротаметр подают снизу вверх со скоростью 0,5 л/ч в адсорбционную колонку.

Анализ воды производят на атомно-абсорбционном спектрофотометре по катионам металлов Ca²⁺, Mg²⁺, Fe^2+,3+ Cu²⁺, Ni²⁺ и др., по фенолам, СПАВ, нефтепродуктам на фотометре КФК-3.

Испытания по определению динамической емкости адсорбента по извлекаемым веществам проводят по ТУ 2164-001-44947114-97 "Сорбционно-фильтрующий материал", Казань, 1997 г., 17 с. Код ОКП. 216491. Группа Л91.

Определение поверхностно-активных веществ (СПАВ) проводят по ИСО 7875/1-84. Качество воды. Определение поверхностно-активных веществ. М., 1987. 11 с. УДК 543.3:661.185.1. Группа Т58.

Фенол определяют по ИСО 6439-84. Качество воды. Определение фенольного индекса-4-аминоантипирино. М., 1987. 11 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 в примере 5 показано, что оптимальной концентрацией раствора соляной кислоты для последующей обработки породы является 2н. раствор при времени активации равном 20 мин, что обеспечивает содержание в сорбенте CaO, равное 3,73 (снижение от 9,98% в исходной породе), повышение водостойкости до 98,2%, механической прочности до 206 · 10⁴ кг/м², среднего диаметра пор по бензолу до 8,6 нм, предельного объема адсорбционного пространства до 0,083 · 10³ м³/кг (табл. 1, 2).

Уменьшение концентрации соляной кислоты до 1н при времени активации 40 мин приводит к незначительному повышению всех показателей и недостаточному снижению содержания CaО в сорбенте - до 6,25% (табл. 1, пример 3, табл. 2, пример 3).

Повышение активации от 20 до 40 мин при 2н. концентрами HCl приводит к снижению водостойкости до 97,1%, механической прочности до 179 · 10⁴ кг/м², среднего диаметра пор до 8 нм и предельного объема адсорбционного пространства до 0,070 · 10³ м³/кг при содержании CaO в сорбенте в требуемых пределах - 3,07% (табл. 1, 2, примеры 4, 5).

В табл. 3 приведены сравнительные данные по очистке воды от вредных примесей при их совместном присутствии исходным и активированным сорбентом по сравнению с аналогом и прототипом. Как видно, из приведенных в табл. 3 данных, активация кремнистой породы смешанного минерального состава 2н. HCl в течение 20 мин при комнатной температуре позволяет производить очистку воды дополнительно от солей жесткости (Ca²⁺ и Mg²⁺). При этом время работы адсорбента до ПДК по солям жесткости по сравнению с прототипом увеличивается в 14 раз, а динамическая емкость в 10 раз без ухудшения этих же характеристик по остальным загрязняющим воду примесям (ионы тяжелых металлов, СПАВ, нефтепродукты, фенол) при их одновременном присутствии в воде.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного способа следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в жилищно-коммунальном хозяйстве, энергетике и пищевой промышленности;
- для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в изложенной формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке примеров.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Использование заявляемого изобретения позволит:
1. Производить очистку воды не только поверхностных источников хозяйственного бытового водоснабжения, но и минерализованных вод подземных источников с содержанием солей жесткости до 15 мг·экв/л от ионов металлов, фенола, СПАВ, нефтепродуктов и солей жесткости, а также проводить доочистку питьевой воды в домашних родничках.

2. Повысить физико-механические свойства адсорбента, что увеличивает качество и срок службы адсорбента.

3. Расширить область применения природного адсорбционного сырья.

Применение активированного адсорбента планируется на станциях очистки питьевых вод центрального артезианского водоснабжения для очистки минерализованных вод подземных источников центрального хозяйственно-бытового водоснабжения (в скорых фильтрах как фильтрующий материал вместо применяемого кварцевого песка), а также вод населенных пунктов и в бытовых родничках для доочистки воды.

Источники информации
1. А.с. 1823393, кл. C 02 F 1/28, 1/62, 5/00, БИ, N 31, 1996 г.

2. Патент РФ N 2111171, кл. C 02 F 1/28, 1998 г.

3. Патент РФ N 2111172, кл. C 02 F 1/28, 1998 г. (прототип).

Формула изобретения

Способ адсорбционной очистки воды, включающий фильтрование воды через предварительно прокаленный, активированный природный адсорбент, отличающийся тем, что в качестве природного адсорбента используют кремнистую породу смешанного минерального состава, содержащую в мас.%:
Опал-кристобалит - 51 - 70
Цеолит - 9 - 25
Глинистую составляющую (монтмориллонит, гидрослюда) - 7 - 15
Кальцит - 10 - 25
Обломочно-песчано-алевритовый материал - Остальное
активацию которой проводят раствором 2н соляной кислоты при комнатной температуре в течение 20 мин до содержания СаО в адсорбенте не более 4%.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3