Способ получения алюможелезного коагулянта
Изобретение относится к технологии неорганических веществ, в частности к получению алюможелезного коагулянта на основе сульфата алюминия, применяемого в процессах водоподготовки, очистки сточных вод и других отраслях промышленности. Способ включает взаимодействие гидроксида алюминия с серной кислотой при повышенной температуре, выдержку и кристаллизацию продукта, при этом в суспензию гидроксида алюминия вводят соединение железа при атомном отношении железа к алюминию, равном 0,10-0,20, а серную кислоту на взаимодействие подают с избытком 4-8 мас.% от стехиометрически необходимого. Способ позволяет получить коагулянт, обладающий высокой коагулирующей способностью с одновременным получением товарного продукта в твердом виде. 2 табл.
Изобретение относится к технологии неорганических веществ, в частности к получению алюможелезного коагулянта на основе сульфата алюминия, применяемого в процессах водоподготовки, очистки сточных вод и других отраслях промышленности.
В литературе описан ряд способов получения смешанных апюможелезных коагулянтов, однако все они касаются методов переработки отходов производства горнообогатительных производств и отвальных шлаков, а также нефелинового сырья при обработке их серной, соляной кислотами или их смесью при повышенной температуре [А.К.Запольский, А.А.Баран «Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды», Л. «Химия», 1987 г.]. При этом в коагулянт переходит алюминий, железо, кремний и другие примеси, содержащиеся в исходном сырье. Смешанный алюможелезный коагулянт во всех случаях получают в виде кислого раствора, что затрудняет его транспортировку и увеличивает проблемы с хранением.
Известен способ получения алюможелезного коагулянта путем смешения растворов сульфата алюминия и хлорного железа [Л.А.Кульский «Теоретические основы и технология кондиционирования воды», Киев: Наукова Думка, 1980].
Для очистки воды смешанным коагулянтом растворы хлорного железа и сульфата алюминия дозируют раздельно и смешивают в струе, либо предварительно смешивают растворы в отдельной емкости. Оптимальное соотношение хлорного железа и сульфата алюминия в смешанном коагулянте находится в пределах 1:2-2:1 (в пересчете на чистый Al2(SO4)3). Метод введения реагентов зависит от местных условий, определяющих выбор либо простоты дозирования, либо большую гибкость при переходе от одного оптимального соотношения к другому.
Недостатком этого способа является трудность подбора и поддержания определенных пропорций, применение и хранение реагентов в виде кислых растворов. Использование смешанного алюможелезного коагулянта предопределяет применение его вблизи места приготовления, перевозка на дальние расстояния опасна и нецелесообразна.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ разложения бокситов серной кислотой [Х.Сафиев, А.К.Запольский, В.И.Гладушко «Производство смешанного алюминиево-железного коагулянта из высокожелезистых гиббситовых бокситов», Химическая технология, №4, 1979 г.]. Способ включает переработку высокожелезистых гиббситовых бокситов на смешанный алюможелезный коагулянт сернокислотным разложением при температуре 100-120°С и грануляционной сушке полученного продукта при температуре 150-200°С в аппарате кипящего слоя или кристаллизации его после частичного обезвоживания на столах-кристаллизаторах.
Предварительно боксит дробят до размера частиц 3-10 мм, затем измельчают в дисковой мельнице мокрого помола до получения фракции менее 0,5 мм и готовят бокситовую пульпу с влажностью 40-55%. Далее в пульпу дозируют концентрированную серную кислоту из расчета получения смеси, содержащей 55-60% кислоты. При этом температура реакционной массы повышается до 100-120°С, одновременно наблюдается пенообразование. Процесс разложения пульпы продолжается в течение трех часов, степень извлечения алюминия и железа составляет 90-95%. Полученный плав сернокислых солей имеет следующий состав, мас.%: Al2O3=11,0÷12,0; Fe2O3=7,5÷8,5; H2SO4(своб.)=0,1÷0,3%, нерастворимый остаток - 2,5÷4,0, атомное отношение железа к алюминию составляет 0,47.
Грануляцию коагулянта проводят в грануляторе с псевдоожиженным слоем при температуре 150-200°С после предварительного разбавления плава до плотности 1,30÷1,55 г/см. Гранулированный смешанный коагулянт имеет следующий состав, мас.%: Al2O3=14,0÷16,0; Fe2O3=10,0÷12,0; H2SO4(своб.) до 0,2, нерастворимый остаток - 4,5-5,5.
Кристаллизацию коагулянта проводят без предварительного разбавления плава на столах-кристолизаторах. После частичного обезвоживания в процессе кристаллизации алюможелезный коагулянт имеет следующий состав, мас.%: Al2O3=12,2; Fe2O3=8,2; H2SO4(своб.)=0,15; нерастворимый остаток - 3,2. При этом атомное отношение железа к алюминию составляет 0,43.
Известный способ является длительным, требующим тщательной подготовки исходного сырья, при этом в готовый коагулянт переходят все примеси, содержащиеся в высокожелезистых гиббситовых бокситах. При очистке воды хозяйственно-питьевого назначения примеси переходят в воду, тем самым увеличивая содержание вредных веществ в воде.
Одновременно, высокое содержание железа провоцирует быстрый гидролиз коагулянта при подготовке рабочего раствора и осаждение полезных компонентов в емкостях рабочих растворов, увеличивая тем самым расход коагулянта. Соотношение между железом и алюминием (0,43-0,47) не соответствует их взаимной коагуляции, что выражается в увеличении содержания остаточного железа в воде.
Перед изобретателями стояла задача - разработать способ получения алюможелезного коагулянта, свободного от посторонних соединений, обладающего высокой коагулирующей способностью с одновременным получением товарного продукта в твердом виде.
Поставленная задача решается следующим образом. Получение смешанного алюможелезного коагулянта на основе сульфата алюминия осуществляют взаимодействием гидроксида алюминия с серной кислотой при повышенной температуре, выдержке и кристаллизации продукта.
Соединение железа вводят в суспензию гидроксида алюминия при атомном отношении железа к алюминию, равном 0,14-0,2, а серную кислоту на сульфирование подают с избытком 4÷8 мас.% от стехиометрически необходимого.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
Предварительно готовят суспензию гидроксида алюминия в воде, затем ее подают в реактор синтез и при постоянно работающей мешалке вводят в суспензию соединение железа. После этого начинают процесс сульфирования подачей в реактор серной кислоты, в результате чего реакционная смесь в реакторе разогревается до температуры 100-120°С. Для обеспечения полноты протекания процесса сульфирования реакционную массу выдерживают в реакторе некоторое время, полученный плав алюможелезного коагулянта при необходимости корректируют и начинают процесс кристаллизации коагулянта.
Введение соединения железа на стадии приготовления пульпы для сульфирования обеспечивает однородность по составу получаемого алюможелезного коагулянта. Одновременно образуется активная гидроокись железа, легко подвергаемая процессу сульфирования. В то же время, гидроксид алюминия взаимодействует с образующейся соляной кислотой с появлением легкогидролизуемого соединения алюминия с хлором. Таким образом, в состав сульфата алюминия вводится два легкогидролизующихся соединения взамен сульфата алюминия, трудно подвергаемого гидролизу в холодное время года, что увеличивает коагулирующую способность смешанного коагулянта за счет снижения времени гидролиза.
Использование в качестве исходного сырья гидроксида алюминия, содержащего не менее 90 мас.% основного вещества и не более 10 мас.% влаги, и соединения железа, не являющегося отходом производства, способствует получению алюможелезного коагулянта, свободного от примесей тяжелых металлов, кремния и других соединений, снижающих качество очистки воды.
При атомном отношении железа к алюминию менее 0,1 получаемый алюможелезный коагулянт обладает коагулирующей способностью на уровне сульфата алюминия. В случае атомного отношения железа к алюминию более 0,2 получаемый смешанный коагулянт является неустойчивым, гидролизующимся на стадии приготовления рабочего раствора. Одновременно снижается температура кристаллизации смешанного коагулянта, приводящая к увеличению продолжительности процесса и снижению производительности установки.
Избыток кислоты до 4 мас.% от стехиометрически необходимого количества ведет к получению коагулянта, имеющего водородный показатель (рН) 3% водного раствора более 2,7, что способствует гидролизу железа на стадии приготовления рабочего раствора. Избыток серной кислоты более 8 мас.% от стехиометрически необходимого повышает температуру кристаллизации, что способствует увеличению вероятности начала кристаллизации в объеме реакционной массы в реакторе синтеза и остановке процесса.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется примерами 1-5.
В качестве соединения железа используется техническое хлорное железо.
Пример 1. В реактор, представляющий собой вертикальный цилиндрический аппарат с плоским днищем и крышкой из коррозионно-стойкой стали объемом 7,4 м3, из репульпатора при работающей мешалке загружают гидроксид алюминия в виде суспензии при отношении Т:Ж=1:1. Количество загружаемого гидроксида алюминия составляет 1,9 тонн при влажности не более 10 мас.%. После перекачки всей суспензии начинают при постоянном перемешивании загрузку хлорного железа в количестве 450 кг из расчета соблюдения атомного отношения железа к алюминию, равного 0,14.
Далее проводят процесс сульфирования подачей 2 м3 серной кислоты плотностью 1830 кг/м3 и концентрацией 93,2 мас.%. В процессе смешения серной кислоты с суспензией происходит разогрев реакционной массы до 100-120°С с одновременным образованием плава алюможелезного коагулянта. Количество залитой серной кислоты превышает стехиометрически необходимое количество на 6 мас.%.
После выдержки реакционной массы в течение 20-30 минут и необходимой корректировке плава начинают процесс кристаллизации. Кристаллизатор представляет собой ленточный конвейер, дополнительно охлаждаемый воздухом. В результате получают 9 тонн готового продукта - алюможелезного коагулянта, имеющего химическую формулу Al2O3·0,28FeCl3·25H2O и содержащего, мас.%: Al2O3=12,2; Fe2O3=2,7; не растворимых в воде веществ - 1,5% и имеющего атомное отношение железа к алюминию, равное 0,14. Температура кристаллизации алюможелезного коагулянта составляет 7°С.
В таблице 1 представлены результаты опытов, проведенных по аналогичной методике при различных количествах избыточной серной кислоты (1-3), а также различном атомном отношении железа к алюминию при постоянном количестве избыточной серной кислоты, равном 6 мас.% (4-5).В таблице 2 представлены результаты сравнительной очистки воды реки Кама полученным алюможелезным коагулянтом и серийно-выпускаемым сульфатом алюминия в холодный период года. Получены положительные результаты испытания алюможелезного коагулянта по МУП «Водоканал» г. Перми, г. Чайковский Пермской области, г. Ростов-на-Дону. Выпуск коагулянта организован на технологическом оборудовании существующего производства сульфата алюминия ОАО «Сорбент» и рекомендуется его использование взамен сульфата алюминия в холодный период года при температуре очищаемой воды ниже 10°С.
| Таблица 1 | ||||||||
| Результаты проведения опытов 1-5 | ||||||||
| №№ п.п. | Условия опытов | Характеристика коагулянта | ||||||
| Избыток H2SO4, % масс. | Отношение Fe2O3/Al2O3 | Температура кристаллизации, °С | Al2O3, % | Fe2O3, % | Сумма окислов, % | рН | Химическая формула | |
| 1 | 6,0 | 0,14 | 79 | 12,2 | 2,7 | 14,9 | 2,4 | Al2(SO4)3·0,28FeCl3 25H2O |
| 2 | 6,0 | 0,08 | 80 | 12,5 | 1,6 | 14,1 | 2,3 | Al2(SO4)3·0,16FeCl3 25H2O |
| Э | 6,0 | 0,22 | 73 | 11,9 | 3,7 | 15,6 | 2,7 | X)Al2(SO4)3·0,44FeCl3 25H2O |
| 4 | 3,5 | 0.14 | 78 | 12,9 | 2,9 | 15,7 | 2,7 | X)Al2(SO4)3·0,28FeCl3·22H2O |
| 5 | 8,5 | 0.14 | 83 | 12,4 | 2,7 | 15,1 | 2,1 | Al2(SO4)3·0,28FeCl3 20H2O |
| Примечание: X) Коагулянт гидролизуется на стадии приготовления рабочего раствора. |
| Таблица. 2 | ||||||||
| Сравнительная очистка воды реки Кама сульфатом алюминия (СА) и алюможелезным коагулянтом (АЖК) при температуре воды 4÷7°C | ||||||||
| Показатели | Исходн. Н2O | Доза АЖК*), ∑ ок., мг/дм3 | Доза СА, Al2O3, мг/дм3 | Норма по СанПиН 2.1.4.1074-01 | ||||
| 8 | 10 | 12 | 8 | 10 | 12 | |||
| Цветность град. | 27,7 | 10 | 10 | 10 | 11 | 11 | 11 | 20 град. |
| Мутность мг/дм3 | 0,05 | 0,3 | 0,5 | 0,25 | 0,6 | 0,4 | 0,1 | 1,5 мг/дм3 |
| Железо, мг/дм3 | 0,5 | 0,15 | 0,2 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,3 мг/дм3 |
| Окисляемые, мг/дм3 | 6,6 | 5,3 | 3,8 | 3,6 | 4,6 | 4,4 | 2,4 | 5,0 мгО2/дм3 |
| Водородный показатель рН | 7,6 | 7,4 | 7,3 | 7,3 | 7,3 | 7,3 | 7,3 | 6-9 |
| Алюминий, мг/дм3 | 0,02 | 0,3 | 0,4 | 0,3 | 0,5 | 0,4 | 0,4 | 0,5 мг/дм3 |
| Примечание: *) - доза по Al2O3 снижена на 20% масс. по сравнению с сульфатом алюминия и составляет соответственно 6,4; 8,0; 9,6 мг/дм3; - введение ионов железа улучшает процесс хлопьеобразования, заметное образование и укрупнение хпопьев начинается через 5-10 мин. |
Способ получения алюможелезного коагулянта на основе сульфата алюминия, включающий взаимодействие гидроксида алюминия с серной кислотой при повышенной температуре, выдержку и кристаллизацию продукта, отличающийся тем, что в суспензию гидроксида алюминия вводят соединение железа при атомном отношении железа к алюминию, равном 0,10-0,20, а серную кислоту на взаимодействие подают с избытком 4÷8 мас.% от стехиометрически необходимого.
