способ получения коагулянта для очистки воды

Формула изобретения

Способ получения железоалюминийсодержащего коагулянта, включающий растворение компонентов с последующим окислением Fe (II) до Fe(III), отличающийся тем, что ведут растворение металлического алюминия в водном растворе хлорида железа (III) с концентрацией ионов железа 45-70 г/л при перемешивании в течение 10-15 мин и с последующим отделением осадка, а окисление Fe (II) до Fe (III) ведут перекисью водорода при температуре 70-80°С в течение 1-2 ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области получения неорганических коагулянтов, в частности, на основе соединений железа и алюминия для очистки воды.

Необходимость разработки способа получения коагулянта связана с задачей повышения эффективности очистки воды и снижения содержания в ней ионов Аl(III), являющихся причиной ряда заболеваний нервной системы.

Известен способ очистки сточных вод, в котором используется смесь соединений трехвалентных металлов, например растворы чистого хлорида железа(III) и сульфата алюминия в массовых пропорциях FeCl₃ и Al₂(SO₄)₃, равных 1:1, см. Кульский Л.А., Когановский A.M. Указания по применению смешанного алюможелезного коагулянта для обесцвечивания и осветления воды. - Киев: Изд-во Академии Архитектуры УССР, 1955. - 16 с., Кульский Л.А. Основы химии и технологии воды. - Киев: Наукова думка, 1991. - С.122.

Недостатками известного способа являются:

- сложность дозирования порошкообразных гигроскопических ингредиентов в непрерывном процессе очистки сточных вод;

- получаемый алюможелезный коагулянт при смешивании со сточными водами вносит в них эквивалентное железу и алюминию количество анионов, повышая их концентрацию в воде.

Известен способ получения железоалюминийсодержащего коагулянта путем растворения оксидов железа и алюминия серной кислотой из глины или золы. Выщелачивание оксидов ведут при температуре 100-120°C в растворе с содержанием 20-45% серной кислоты и 8-50 г/л хлорида натрия в течение 2-4 часов. Для удешевления процесса и снижения загрязнения окружающей среды в качестве источника хлоридов используют очищенный раствор после промывки кожевенного сырья или отработанный пикельный раствор, являющиеся отходами кожевенного производства. Подогрев и обогащение ионами железа реакционной массы осуществляют путем пропускания через нее постоянного или переменного электрического тока с использованием стальных электродов, см. RU Патент № 2122975, МПК⁶ C01F 7/74, C01G 49/10, C02F 1/52, 1998.

Известен способ получения алюможелезного коагулянта, включающий 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, см. RU Патент № 2264352, МПК⁷ C01F 7/00, C02F 1/52, 2005.

Недостатками указанных способов являются низкий выход коагулянта (50-60%), повышенные энергозатраты (необходимость нагрева до 120°C), а использование концентрированной серной кислоты при высоких температурах обусловливает необходимость применения коррозионностойкого и, как следствие, очень дорогого оборудования. Способы представляют экологическую опасность как для обслуживающего персонала, так и для окружающей среды.

Известен способ получения железоалюминиевого коагулянта путем обработки шлака, золы и глин, содержащих заметные количества железа и алюминия, растворами кислот, в том числе растворами соляной кислоты, см. Бабенков Е.Д. Очистка воды коагулянтами. - М.: Наука, 1997, с.76-77.

Недостатком данного способа является использование кислот, в частности соляной и серной, пары которых токсичны и вызывают сильную коррозию аппаратуры и трубопроводов из стали, что обусловливает необходимость замены материалов на более стойкие к коррозии.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения железоалюминийсодержащего коагулянта, включающий растворение компонентов с последующим окислением Fe(II) до Fe(III), в котором проводят растворение металлического железа в водном растворе хлорида алюминия(III) с концентрацией 60-90 г/л в пересчете на Al₂O ₃ при температуре 80-90°C в течение 0,4-0,5 часа, а окисление Fe(II) до Fe(III) ведут электрохимическим способом при плотности тока 4-8 А/дм² в течение 2,5-3,5 часов. Коагулянт имеет концентрацию 72 г/л по железу, см. SU Авторское свидетельство № 1604747, МПК⁴ C02F 1/46, 1990.

Недостатками способа являются: низкий выход коагулянта (30-40%), высокие энергозатраты и длительность процесса, низкая степень очистки воды.

Задачей заявляемого технического решения является повышение выхода целевого продукта и увеличение степени очистки воды.

Техническая задача решается способом получения железоалюминийсодержащего коагулянта, включающим растворение компонентов с последующим окислением Fe(II) до Fe(III), в котором ведут растворение металлического алюминия в водном растворе хлорида железа(III) с концентрацией ионов железа 45-70 г/л при перемешивании в течение 10-15 минут и отделение осадка, а окисление Fe(II) до Fe(III) ведут перекисью водорода при температуре 70-80°C в течение 1-2 часов.

Решение технической задачи позволяет получить железоалюминиевый коагулянт с выходом целевого продукта до 99,6% и повысить степень очистки воды.

Для получения железоалюминийсодержащего коагулянта используют компоненты: хлорид железа(III) шестиводный и алюминиевый порошок с размером частиц 20-200 мкм. Металлический алюминий растворяют в 100 см³ водного раствора хлорида железа(III) с концентрацией ионов железа 45-70 г/л при комнатной температуре и перемешивании в течение 10-15 минут до прекращения интенсивного газовыделения и выделения осадка, который отделяют от раствора. Для окисления в растворе Fe(II) до Fe(III) используют перекись водорода. Полученную смесь нагревают до температуры 70-80°C в течение 1-2 часа. Концентрацию железа(III) в растворе определяют колориметрическим методом путем сравнения со стандартными растворами. Выход коагулянта составляет до 99,6%.

Изобретение иллюстрируется следующим примером конкретного выполнения.

Пример 1. К 100 см³ водного раствора хлорида железа(III) с концентрацией ионов железа 45 г/л добавляют 4,05 г алюминиевого порошка с размером частиц 20 мкм. Перемешивают данную смесь при комнатной температуре в течение 15 минут до прекращения газовыделения, отделяют осадок. Для окисления в растворе Fe(II) до Fe(III) используют 3%-ный раствор перекиси водорода в соотношении раствор:перекись водорода 1:1,2. Полученную смесь нагревают до температуры 70°C в течение 2 часов, концентрацию железа(III) в растворе определяют колориметрическим методом путем сравнения со стандартными растворами. Полученный коагулянт представляет собой раствор гетерополиядерных комплексов состава Fe_m Al_nCl_k(OH)_q]^2m+3n-k-q , где значения m, n, k, q определяются концентрациями компонентов и pH раствора. Выход коагулянта составляет 99,5%.

Пример 2. К 100 см водного раствора хлорида железа(III) с концентрацией ионов железа 54 г/л добавляют 4,05 г алюминиевого порошка с размером частиц 120 мкм. Перемешивают данную смесь при комнатной температуре в течение 12 минут до прекращения газовыделения, отделяют осадок. Для окисления в растворе Fe(II) до Fe(III) используют 15%-ный раствор перекиси водорода в соотношении раствор:перекись водорода 1:0,6. Полученную смесь нагревают до температуры 75°C в течение 1,5 часа, концентрацию железа(III) в растворе определяют колориметрическим методом путем сравнения со стандартными растворами. Выход коагулянта составляет 99,45%.

Пример 3. К 100 см³ водного раствора хлорида железа(III) с концентрацией ионов железа 70 г/л добавляют 4,05 г алюминиевого порошка с размером частиц 200 мкм. Перемешивают данную смесь при комнатной температуре в течение 10 минут до прекращения газовыделения, отделяют осадок. Для окисления в растворе Fe(II) до Fe(III) используют 30%-ный раствор перекиси водорода в соотношении раствор:перекись водорода 1:0,12. Полученную смесь нагревают до температуры 80°C в течение 1 часа, концентрацию железа(III) в растворе определяют колориметрическим методом путем сравнения со стандартными растворами. Выход коагулянта составляет 99,6%.

Пример 4. Аналогично примеру 3, в качестве водного раствора хлорида железа (III) используют отработанный промышленный железосодержащий раствор травления состава: 600 г/л FeCl₃, 20 г/л HCl ( =1,19 г/см³), 50 г/л Fe(II), см. ГОСТ 9.301-86. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Перед введением алюминия указанный раствор разбавляют в воде с соотношением 1:2,5 с получением концентрации ионов железа в растворе 59 г/л. Выход коагулянта составляет 99,55%.

Пример 5. Аналогично примеру 3, в качестве водного раствора хлорида железа(III) используют раствор, приготовленный путем растворения окалины металлургического производства в хлороводородной кислоте в соотношении 1:3 по массе, см. ГОСТ 9.301-86. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Концентрация ионов железа в растворе составляет 52 г/л. Выход коагулянта составляет 99,5%.

В качестве объекта исследования берут речную воду со следующими показателями:

- водородный показатель (pH) = 8,2;

- цветность = 127,5°;

- мутность = 15 мг/дм ³;

- содержание железа = 1,9 мг/дм³ ;

- содержание алюминия = 0,5 мг/дм³ ;

- окисляемость = 7,87 мг O/дм³.

Дозированно подают коагулянт в количестве 0,2 мг/л. Исходную воду обрабатывают по способам прототипа и заявляемого объекта в аналогичных условиях. Полученные данные приведены в таблице.

Таблица
Показатели качества природной воды до и после обработки коагулянтом
Показатели качества воды	ПДК, СанПИН 2.1.4.1074-01	После обработки коагулянтом
По прототипу	По заявляемому объекту
Пример 1	Пример 2	Пример 3	Пример 4	Пример 5
Водородный показатель (pH)	6,9	6,5	6,3	6,4	6,4	6,2	6,3
Цветность,	20	21,0	7,8	7,6	7,5	7,9	8,0
Мутность, мг/дм3	2,6	2,0	0,3	0,4	0,5	0,2	0,3
Содержание железа, мг/дм3	0,3	0,3	0,07	0,06	0,06	0,07	0,08
Содержание алюминия, мг/дм3	0,5	0,02	0,01	0,01	0,01	0,01	0,01
Окисляемость, мг О/дм3	5,0	4,56	4,3	4,4	4,5	4,0	4,0

По результатам конкретных примеров можно сделать следующий вывод. Использование заявляемого способа позволяет получить воду с более низким содержанием алюминия (~в 2 раза), который является причиной ряда заболеваний нервной системы, железа (~в 3 раза), что уменьшает цветность воды. Прочие показатели, такие как водородный показатель, мутность и окисляемость, остаются на уровне нормативного документа СанПиН 2.1.4.1074-01. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества». Выход коагулянта по заявляемому объекту составляет 99,6%, что в 2-3 раза выше, чем выход коагулянта по прототипу, а длительность процесса и энергозатраты уменьшаются в 1,5 и 2 раза соответственно. Кроме того, при производстве коагулянта можно использовать отработанные промышленные железосодержащие растворы (в частности, растворы травления, окалины), что позволяет более полно утилизировать отходы производства.