Способ очистки воды

 

Изобретение относится к экологическим процессам очистки воды от взвешенных в них тонкодисперсных частиц и капель - гелей при флокуляции и коагуляции и может найти применение при удалении ПАВ, жиров, масел, нефтепродуктов и других взвешенных в воде веществ, суспензий и эмульсий. Очищаемую воду обрабатывают флокулянтом в постоянном электрическом поле. При использовании катионного флокулянта для придания ему избыточного положительного заряда флокулянт предварительно обрабатывают во внешнем электрическом поле при подключении цилиндрической металлической емкости к отрицательному полюсу источника постоянного тока, а осесимметрично установленного внутреннего цилиндрического электрода - к положительному полюсу источника постоянного тока. При использовании анионного флокулянта для придания ему избыточного отрицательного заряда его предварительно обрабатывают во внешнем электрическом поле при подключении внутреннего электрода к отрицательному полюсу внешнего источника электрического тока, а металлической емкости - к положительному источнику постоянного тока. Площадь поверхности металлической емкости в 10 раз превышает площадь боковой поверхности центрального электрода. Технический эффект - увеличение степени очистки воды от тонкодисперсных частиц и капель при их взаимодействии с заряженными молекулами и ионами флокулянта. 1 табл.

Изобретение относится к экологическим процессам очистки воды от взвешенных в них тонкодисперсных частиц и капель-гелей при флокуляции и коагуляции и может найти применение при удалении ПАВ, жиров, масел, нефтепродуктов и других, взвешенных в воде веществ, суспензий и эмульсий.

Известен способ очистки воды с помощью коагуляции и флокуляции, включающий приготовление водных растворов коагулянтов и флокулянтов, их дозирование, смешение с очищаемой водой, хлопьеобразование и выделение хлопьев из воды путем отстаивания, фильтрования или флотации. (Стахов Е.А., Очистка нефтесодержащих сточных вод. - Л.: Недра, 1983, с 178) К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится малая скорость хлопьеобразования, что приводит к низкой производительности очистки воды и большим затратам времени и размеров оборудования, расходу коагулянтов и флокулянтов и их стоимости, а также недостаточной степени очистки воды от дисперсной фазы.

Известен способ очистки сточных вод от поверхностно-активных веществ, включающий обработку сточной воды в постоянном электрическом поле напряженностью 10-50 В/см, при плотности тока 0,03-0,6 мА/см², скорости потока 0,001-2 см/мин и рН 6-9 с последующим ее фильтрованием через сорбционные колонны. (Авт. св. СССР N 865830, С 02 F l/48, N35/81).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится ограниченность применения предлагаемого способа только очисткой от ПАВ, невозможность его использования для очистки сточной воды от коллоидных и гелеобразных дисперсных частиц, сложность и длительность регенерации сорбента в сорбционных колоннах, вызывающих повышение стоимости при недостаточной степени очистки от тонкодисперсной фазы.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту является способ очистки воды, включающий введение в нее в качестве коагулянта гидроксида алюминия с одновременной обработкой ее в бездиафрагменном электролизере с использованием нерастворимых электродов, путем пропускания через очищаемую воду постоянного или переменного тока. (Патент РФ N2102333, С 02 F 1/46, БИ N2, 1998 г.).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится относительно большой расход электроэнергии и коагулянта - гидроксида алюминия, что приводит к повышенной стоимости очистки воды и недостаточной степени извлечения из нее взвешенных частиц.

Задачей технического решения является увеличение скорости и вероятности столкновения извлекаемых частиц и капель дисперсной фазы с молекулами и ионами флокулянта при его растворении в очищаемой воде за счет сил электростатического притяжения противоположно заряженных частиц и капель дисперсной фазы с молекулами и ионами флокулянта.

Техническим результатом является увеличение степени очистки воды от тонкодисперсных частиц и капель при их взаимодействии с заряженными молекулами и ионами флокулянта.

Поставленный технический результат достигается тем, что в способе очистки воды, включающим обработку очищаемой воды реагентом в постоянном электрическом поле, реагентом является флокулянт, причем при использовании катионного флокулянта для придания ему избыточного положительного заряда флокулянт предварительно обрабатывают во внешнем электрическом поле при подключении цилиндрической металлической емкости к отрицательному полюсу источника постоянного тока, а осесимметрично установленного внутреннего цилиндрического электрода - к положительному полюсу источника постоянного тока, а при использовании анионного флокулянта для придания ему избыточного отрицательного заряда его предварительно обрабатывают во внешнем электрическом поле при подключении внутреннего электрода к отрицательному полюсу внешнего источника электрического тока, а металлической емкости - к положительному источнику постоянного тока, при этом площадь поверхности металлической емкости в 10 раз превышает площадь боковой поверхности центрального электрода.

При предварительном заряжании макромолекул флокулянтов избыточным зарядом, противоположным естественному заряду частиц и капель дисперсной фазы в очищаемой воде, сила электростатического взаимодействия разноименно заряженных макромолекул флокулянтов и частицам и каплям дисперсной фазы увеличивается.

Для экспериментальной проверки эффективности очистки воды по предлагаемому способу в сравнении с обычным способом очистки воды, не обработанной предварительно во внешнем электрическом поле, флокулянтом) была проведена серия опытов, результаты которых и методика их проведения представлены ниже в примерах 1-6.

Пример 1. В цилиндрической металлической емкости, установленной на диэлектрических прокладках, содержащей 100 мл обрабатываемого катионного флокулянта КФ-91, осесимметрично установлен цилиндрический электрод из титана. Центральный электрод подключался к положительному полюсу источника постоянного тока, а цилиндрическая емкость - к отрицательному полюсу источника постоянного тока. Время обработки флокулянта в электрическом поле 1 час. За это время макромолекулы флокулянта получали избыточный положительный заряд, так как поверхность металлической емкости, подключенная к отрицательному источнику постоянного тока, по площади в 10 раз больше площади боковой поверхности цилиндрического центрального электрода, подключенного к положительному полюсу источника постоянного тока. После предварительной обработки флокулянта в электрическом поле в течение 1 часа ток отключался, и обработанный флокулянт использовался для флокуляции разделяемой суспензии. В качестве очищаемой суспензии взята природная вода, содержащая шламы. Концентрация шламов в очищаемой воде 370 мг/дм³. Концентрация флокулянта КФ-91, предварительно обработанного в электрическом поле, составляла 8 мг/дм³. Отстаивание проводилось в постоянном электрическом поле в бездиафрагменном электролизере с пластинчатыми электродами. Через 1 час после отстаивания концентрация взвешенных частиц, измеренная на электрофотокалориметре ФЭК, составила 22,1 мг/дм³, то есть степень очистки достигла η=(1-22,1/370)100%=94% Пример 2. В опыте по примеру 1 в соответствии с прототипом предварительная обработка катионного флокулянта КФ-91 внешним электрическим полем не проводилась. После добавления в суспензию катионного флокулянта КФ-91 концентрацией 8 мг/дм³ и часа отстаивания концентрация взвешенных частиц, измеренная тем же способом, составила 52,3 мг/дм³, а степень очистки η=(1-52,3/370)100%=85,8% Пример 3. В опыте по примеру 1, но при подаче на цилиндрическую емкость в течение 1 часа положительного заряда, а на цилиндрический центральный электрод отрицательного заряда концентрация взвешенных частиц через 1 час после добавления обработанного в электрическом поле флокулянта той же концентрации в мг/дм³ составила 45,6 мг/дм³, а степень очистки η=(1-45,6/370)100%=87,7% Пример 4. В опыте по примеру 1 в течение одного часа во внешнем электрическом поле обрабатывают анионный флокулянт полиакриламид ПАА-1 (А.К.Запольский, А. А.Баран. Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды. Л.: Химия, 1987, с. 124-125 и с. 150) для создания избыточного отрицательного заряда на его макромолекулах. Для этого к внутреннему электроду подключался отрицательный полюс внешнего источника электрического поля. После обработки флокулянт концентрацией 11 мг/дм³ использовался для разделения положительно заряженной 0,8%-й суспензии охры, то есть со знаком заряда, противоположным избыточному заряду флокулянта. После отстаивания в течение часа конечная концентрация взвешенных частиц составила 115 мг/дм³, а степень очистки η=(1-115/800)100%=85,6% Пример 5. В опыте по примеру 2 в очищаемую суспензию охры добавлялся анионный флокулянт полиакриламид ПАА-1 без предварительной его обработки внешним электрическим полем, концентрацией 11 мг/дм³.

После интенсивного перемешивания и отстаивания в течение 1 часа конечная концентрация взвешенных частиц составляла 202 мг/дм³, а степень очистки
η=(1-202/800)100%=74,7%
Пример 6. В опыте по примеру 4 анионный флокулянт ПАА-1 обрабатывался внешним электрическим полем в течение часа, причем внутренний электрод был подключен к положительному полюсу внешнего источника электрического поля. После обработки флокулянт использовался для разделения положительно заряженной 0,8%-й суспензии охры. После отстаивания в течение часа конечная концентрация взвешенных частиц составила 193 мг/дм³, а степень очистки
η=(1-193/800)100%=75,9%.

Как видно из результатов опытов предварительная обработка в электрическом поле ионогенного флокулянта с созданием избыточного одноименного заряда на макроионах его полимерной цепи значительно повышает степень очистки воды, то есть катионные флокулянты необходимо заряжать избыточным положительным зарядом, а анионные флокулянты - избыточным отрицательным зарядом.

Степень очистки возрастает, если избыточный заряд на макромолекулах флокулянта имеет противоположный знак с частицами дисперсной фазы. В этом случае вероятность столкновения молекул флокулянта с микрочастицами дисперсной фазы, которая в отсутствие электрического поля носит броуновский дифузный характер, увеличивается за счет электрического поля, в котором противоположно заряженные молекулы флокулянта и микрочастицы притягиваются. Это приводит к уменьшению времени очистки и увеличению скорости разделения. Кроме того, увеличивается сила взаимодействия противоположно заряженных молекул флокулянта и микрочастиц дисперсной фазы, что предотвращает возможность загрязнения очищаемой жидкости уже уловленными частицами из-за их отрыва от молекул флокулянта.

Увеличение или уменьшение концентрации флокулянтов в очищаемой воде по сравнению с оптимальными концентрациями, приведенными в таблице (2 мг/дм³ для КФ-91 и 6 мг/дм³ для ПАА-1), снижает степень очистки.

Предлагаемый способ очистки воды, связанный с предварительным увеличением заряда макромолекул флокулянта избыточным одноименным зарядом, противоположным заряду частиц дисперсной фазы, позволяет увеличить степень очистки водных суспензий и эмульсий за счет сил электростатического притяжения, способствующих увеличению скорости столкновения, приводящих к образованию крупных и плотных хлопьев и уменьшающих время осаждения.

Формула изобретения

Способ очистки воды, включающий обработку очищаемой воды реагентом в постоянном электрическом поле, отличающийся тем, что реагентом является флокулянт, причем при использовании катионного флокулянта для придания ему избыточного положительного заряда флокулянт предварительно обрабатывают во внешнем электрическом поле при подключении цилиндрической металлической емкости к отрицательному полюсу источника постоянного тока, а осесимметрично установленного внутреннего цилиндрического электрода - к положительному полюсу источника постоянного тока, а при использовании анионного флокулянта для придания ему избыточного отрицательного заряда его предварительно обрабатывают во внешнем электрическом поле при подключении внутреннего электрода к отрицательному полюсу внешнего источника электрического тока, а металлической емкости - к положительному источнику постоянного тока, при этом площадь поверхности металлической емкости в 10 раз превышает площадь боковой поверхности центрального электрода.

РИСУНКИ

Рисунок 1