Коагулянт для очистки природных и сточных вод, способ его получения и способ его использования

КОАГУЛЯНТ ДЛЯ ОЧИСТКИ  ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД, СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО  ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к технологии очистки природных вод в процессе водоподготовки и физико-химической очистки сточных вод от токсичных  соединений природного и техногенного происхождения с применением  разного вида коагулянтов и может  быть использовано для улучшения  состояния здоровья человека и охраны окружающей среды. Предложенный коагулянт - активированный кальций-алюминат - содержит соединения алюминия, оксид кремния, оксид кальция, оксид железа, оксид натрия, оксид магния и диоксид серы, его получают обработкой шлама - промежуточного продукта производства глинозема, причем обработку ведут 2%-ным водным раствором бикарбоната натрия и сульфата натрия в соотношении 1: 1 в течение не менее 5 мин с последующим отделением, высушиванием и измельчением осадка. Очистку сточных и природных вод ведут активированным кальций-алюминатом в виде водной суспензии в количестве не менее 3 мг/дм³ при перемешивании не менее 0,1 мин. Новый коагулянт фактически является в большей степени адсорбентом и при этом на поверхности частиц суспензии происходит адсорбция растворенных в воде как ионов тяжелых металлов, так и их гидроксидов и основных солей. Частицы дисперсной фазы суспензии являются центрами хлопьеобразования и одновременно утяжелителями, благодаря чему происходит ускорение процесса коагуляции и как следствие в целом повышается эффективность очистки вод. Поскольку алюминий вводится в виде практически нерастворимых соединений, отсутствует остаточное содержание ионов алюминия, что приводит к повышению степени очистки обрабатываемой воды. Технический результат, достигаемый коагулянтом для очистки природных и сточных вод, способом его получения и использования, состоит в получении высококачественной питьевой воды для сохранения здоровья и долголетия человека, в эффективной и надеждой очистке сточных вод с целью обеспечения экологической безопасности человека и окружающей среды. 3 c. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 9 табл.

Изобретение относится к области  экологии, в частности к технологии очистки природных вод в процессе водоподготовки и физико-химической очистки сточных вод от токсичных  соединений природного и техногенного происхождения с применением  разного вида коагулянтов, и оно  может быть использовано для улучшения  состояния здоровья человека и охраны окружающей среды.

Известны коагулянты, наибольшее распространение  среди которых для очистки  природных и сточных вод получили коагулянты, содержащие алюминий, в  частности сульфат алюминия, оксихлорид алюминия и алюминат натрия, из которых сульфат алюминия используется наиболее часто (1). Однако этими коагулянтами не достигается высокой степени очистки природных и сточных вод и основной их недостаток состоит в значительном количестве остаточного алюминия в очищенной воде.

Известен коагулянт на основе алюминия, наиболее близкий к предлагаемому  изобретению по достигаемому техническому результату и выбранный в качестве прототипа (2). Коагулянт представляет собой гидрокарбоалюминат кальция в виде однородного порошка серо-белого цвета. Гидрокарбоалюминат кальция получают как попутный продукт производства глинозема способом гидрохимического синтеза кальция из щелочно-карбоалюминатных растворов и извести при комплексной переработке нефелинов.

Недостатками известного коагулянта - гидрокарбоалюмината кальция - являются высокая его стоимость и дефицитность, поскольку для его получения в качестве минерала используют нефелин, более редко встречающийся в природе, чем, например, бокситы, что и сказывается на его высокой стоимости.

Из уровня техники известны способы  получения коагулянта для очистки  природных и сточных вод. Известен способ получения коагулянта сульфата алюминия из гидроксида алюминия, который  основан на разложении гидроксида алюминия серной кислотой и кристаллизации образовавшегося  продукта (3, с.48-53). Однако этот способ требует  дорогостоящего и дефицитного исходного  материала гидроксида алюминия, являющегося  полупродуктом при получении  глинозема.

Известны способы получения  коагулянтов из бокситов, каолинов, глин и других минералов, содержащих алюминий, суть которых заключается  в разложении этих минералов серной кислотой с последующей кристаллизацией готового продукта (3, с.53-79). Однако эти способы сложные и трудоемкие.

Известен способ получения коагулянта для очистки природных и сточных  вод, наиболее близкий к предлагаемому  способу по достигаемому техническому результату и выбранный в качестве прототипа (4). Сущность этого способа  состоит в синтезе гидрокарбоалюмината натрия из раствора алюмината натрия и известкового молока, который подвергают охлаждению и смешивают с карбонатом натрия, после чего выпавший осадок высушивают и растирают до порошкообразного состояния.

Недостатками известного способа  получения коагулянта для очистки  природных и сточных вод являются высокая его стоимость и дефицитность, поскольку для его получения  в качестве минерала используют нефелин, более редко встречающийся в  природе, чем, например, бокситы, что  и сказывается на высокой стоимости  получаемого конечного продукта, а также в целом способ является трудоемким и дорогостоящим.

Из уровня техники известны способы  очистки природных и сточных  вод алюминийсодержащими коагулянтами.

Известен способ очистки природных  и сточных вод, основанный на использовании  в качестве коагулянта водного раствора сульфата алюминия (5), выбранного в  качестве прототипа. Однако этот способ имеет некоторые недостатки, связанные  со следующими отрицательными факторами  при его использовании: 
 
- низкая эффективность очистки воды при пониженных температурах (ниже 4^oС); 
 
- увеличение солевого фона очищаемой воды; 
 
- повышение содержания сульфатов; 
 
- снижение щелочности и водородного показателя; 
 
- увеличение коррозионной активности воды; 
 
- значительное количество остаточного алюминия в очищенной воде.

Все эти факторы в целом приводят к сокращению срока службы сетей  и водоводов и снижению их пропускной способности.

Известен способ очистки природных  и сточных вод с использованием алюминийсодержащего коагулянта, наиболее близкий по составу к предлагаемому изобретению и выбранный в качестве прототипа (2).

Недостатками этого способа  являются сложность дозирования  коагулянта за счет необходимости непрерывного и постоянного перемешивания  для предотвращения выпадения в  осадок частиц дисперсной фазы, а также  высокая стоимость и дефицитность используемого коагулянта - гидрокарбоалюмината кальция.

Технический результат, достигаемый  изобретением, является общим для  всей группы заявленных изобретений (коагулянта, способа его получения и способа  его использования), состоит в  повышении эффективности очистки  природных и сточных вод не ниже соответствующих установленным  нормам (6, 7), при которых не происходит снижение щелочности и водородного  показателя воды, а также не увеличивается  содержание сульфатов в воде, и  в целом в снижении стоимости  всего технологического цикла, начиная с получения нового коагулянта, а также уменьшением трудоемкости при получении коагулянта за счет отсутствия необходимости проведения синтеза матрицы твердого раствора.

Указанный технический результат  достигается с помощью нового коагулянта, предназначенного для очистки  природных и сточных вод, содержащего  оксид алюминия, оксид кальция, оксид  кремния, оксид железа и оксид  натрия, который в соответствии с  изобретением дополнительно содержит диоксиды серы и оксид магния, а  все ингредиенты взяты в соотношении,%: 
 
Al₂O₃ - 8,0-30,0 
 
CaO - 30,0-55,0 
 
Fe₂O₃ - 0,1-2,0 
 
Na₂O - 0,1-2,0 
 
SiO₂ - 0,5-5,0 
 
SO₂ - 0,1-2,0 
 
MgO - 0,1-2,0 
 
СO₂ - 0,1-2,0 
 
Вода - Остальное 
 
Принципиальное отличие заявленного изобретения от известного уровня техники (в том числе и от прототипа) состоит в существенно ином подходе получения нового коагулянта, так как предложенный коагулянт, выполняя свою функцию, фактически является в большей степени адсорбентом и при этом на поверхности частиц суспензии происходит адсорбция растворенных в воде как ионов тяжелых металлов, как и их гидроксидов и основных солей. По сути частицы дисперсной фазы суспензии являются центрами хлопьеобразования и одновременно утяжелителями, благодаря чему происходит ускорение процесса коагуляции и как следствие в целом повышается эффективность очистки вод. Поскольку алюминий вводится в виде практически нерастворимых соединений, отсутствует остаточное содержание ионов алюминия, что приводит к повышению степени очистки обрабатываемой воды.

Результаты экспериментальных  данных показали, что использование  такого состава коагулянта, который  представляет собой активированный кальций алюминат - белый шлам, названный  белым коагулянтом (БК), позволяет  добиваться высокой степени очистки  природных и сточных вод, причем по сравнению с прототипом существенно  удешевить этот процесс.

Примеры реализации коагулянта по данным результатов исследований приведены  на фиг.1-3.

Пример 1 
 
Интервал рН применения БК и прототипа иллюстрирован на фиг.1.

На фиг.1 представлены результаты определения растворимости БК в зависимости от рН. Для сравнения здесь же нанесены данные для известного аналога сульфата алюминия. На оси ординат отложено содержание Al (III) в воде над осадком. Определение растворимости осуществлялось обычным способом при температуре 25^oС. БК в количестве 150 мг/л помещался в воду с определенным значением рН.

Из фиг. 1 следует, что применение БК существенно расширяет интервал рН, что увеличивает область его применения по сравнению с сульфатом алюминия. Во-вторых, остаточное содержание алюминия много меньше, чем ПДК (0,5 мг/л) в широком диапазоне изменения водородного показателя (6-12). Таким образом, БК как коагулянт может быть применен в области значений рН от 6 до 12 без повышения содержания алюминия за счет самого реагента, не превышая ПДК.

Пример 2 
 
Изменение мутности обрабатываемой Невской воды с использованием БК и прототипа приведено на Фиг.2.

На фиг.2 приведен график зависимости мутности обработанной Невской воды от времени и дозы коагулянтов (по Al₂O₃), мг/дм³: 
 
1 - доза сульфата алюминия 5; 
 
2 - доза сульфата алюминия 6; 
 
3 - доза сульфата алюминия 7; 
 
4 - доза белого коагулянта 2; 
 
5 - доза белого коагулянта 3; 
 
6 - доза белого коагулянта 4.

Как видно из этой фигуры, БК более  эффективно уменьшает мутность.

Пример 3 
 
Эффективность очистки гальванических сточных вод от ионов тяжелых металлов при использовании БК и прототипа приведена на фиг.3.

На фиг. 3 представлена зависимость содержания ионов тяжелых металлов в воде от времени после обработки ее сульфатом железа (II) и БК.

На фиг. 3 а-г показаны изменения от времени концентрации соответственно ионов хрома и алюминия, меди, свинца и никеля.

Как видно из указанных фиг. 1 - 3, остаточное содержание ионов названных металлов явно меньше ПДК. Содержание ионов металлов определено атомно-адсорбционным методом.

Указанный технический результат  достигается также способом получения  коагулянта для очистки природных  и сточных вод, заключающимся  в активации белого шлама, применяемого в качестве коагулянта для обескремнивания в технологическом процессе получения глинозема, высушивании и размельчении его, в котором в соответствии с изобретением в качестве исходного продукта для получения коагулянта используется белый шлам состава, представленного в таблице А.

Белый шлам является промежуточным  продуктом производства глинозема, который активируют, обрабатывая  необходимым объемом 2%-ного водного раствора бикарбоната натрия и сульфата натрия (в соотношении 1:1) в течение не менее 5 мин, после чего полученную смесь отфильтровывают (или отстаивают), а полученный осадок высушивают и измельчают до порошкообразного состояния, который затем используют в качестве коагулянта для очистки природных и сточных вод в виде водной суспензии.

Известные способы очистки природных  и сточных вод, основанные на использовании  разных коагулянтов, содержащих алюминий: сульфат алюминия, оксихлорид алюминия и алюминат натрия, из которых сульфат алюминия используется наиболее часто (1, 3-7), - все хорошо растворимые в воде соли. После очистки природных и сточных вод этими реагентами остается значительное остаточное количество ионов алюминия в обработанной воде.

Предлагаемое изобретение свободно от этих недостатков. Технический результат, достигаемый изобретением, состоит  в достижении степени очистки, соответствующей  нормативам (6).

Ближайшим прототипом выбран способ очистки природных и сточных  вод путем добавления к очищаемой  воде в качестве коагулянта наиболее широко используемого на практике сульфата алюминия (1, 3, 5). При растворении  в воде сульфат алюминия гидролизуется до основных солей и гидроксида. Последний коагулирует, что приводит к взаимному слипанию всех взвешенных и коллоидных частиц в очищаемой воде и увеличению скорости их осаждения.

Общий для всех технический результат  достигается следующим образом: 
 
В качестве коагулянта используют водную суспензию белого коагулянта (БК), представляющего собой активированный белый шлам (серо-белого цвета), являющийся промежуточным продуктом при производстве глинозема на глиноземных заводах, имеющий состав основных компонентов, представленный в таблице В.

Активированный белый шлам образует с водой суспензию, дисперсная фаза которой обладает большой активной поверхностью и может использоваться в качестве коагулянта.

Результаты анализов разных составов белых коагулянтов представлены в примерах 1, 2, 3 (таблица С).

Как видно из примеров таблицы, количество основного компонента Аl₂О₃ может изменяться в довольно широком интервале. Доза белого коагулянта в процессе очистки воды зависит от содержания Аl₂О₃: чем больше Аl₂О₃, тем меньше доза белого коагулянта, которая может также зависить от природы очищаемой воды и технологических особенностей процесса очистки.

Механизм действия белого шлама  несколько отличается от прототипа, т.к. частицы суспензии являются уже готовыми центрами хлопьеобразования, на поверхности которых адсорбируются  как ионы тяжелых металлов, растворенных в воде, так и имеющиеся там  гидроксиды и основные соли металлов, захватываются и взвешенные вещества. Частицы суспензии одновременно являются и утяжелителями, благодаря  чему происходит ускорение процесса коагуляции и как следствие образование  хлопьев и выпадение их в осадок.