способ адсорбционной очистки воды

Формула изобретения

Способ адсорбционной очистки воды, включающий фильтрование воды через активированную опал-кристобалитовую породу, содержащую цеолит и глину, отличающийся тем, что фильтрование ведут через породу, подвергнутую механической активации в течение 15-60 мин и имеющую следующее соотношение компонентов, мас.%:

Опал-кристобалит 70 - 83

Цеолит 3 - 11

Глинистая составляющая 6 - 17

Обломочный материал 4 - 10

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам адсорбционной очистки воды и может быть использовано при очистке питьевой, технологической (в т.ч. оборотной) и сточной воды от ионов тяжелых металлов, солей жесткости, нефтепродуктов, фенола, поверхностно-активных веществ, взвешенных веществ, нитритов, нитратов, фосфатов, ядохимикатов и др. органических веществ для снижения цветности, мутности очищаемой воды, для улучшения органолептических показателей воды.

Известен способ очистки воды от ионов тяжелых металлов путем фильтрации через прокаленную опоку с размером фракции (1-6)10^-3 м, активированную путем обработки 4-5%-ным водным раствором гидрооксида натрия (см. а.с. №1823393, кл. C 02 F 1/28, 1/62, 5/00, БИ №31, 1996 г).

Недостатком известного способа является быстрый износ адсорбента вследствие перевода кремнезема в аморфную фазу при активации гидрооксидом натрия, что отражается на физико-механических характеристиках и стойкости адсорбента в водных средах - уменьшается показатель условной механической прочности (табл. 1), увеличивается истираемость и измельчаемость, происходит ускоренный вынос кремнекислоты в водную фазу. Кроме того, обработку породы проводят при температуре кипения раствора, что требует использования дорогостоящего эмалированного оборудования, трудоемкого технологического оформления.

Известен способ адсорбционной очистки воды, включающий фильтрование воды через прокаленный природный адсорбент, в качестве которого используют кремнистую породу смешанного минерального состава, содержащую, мас.%: опал-кристобалит - 30-50, цеолит - 7-25, глинистая составляющая - 7-25, кальцит - 10-28, обломочно-песчано-алевритовый материал - остальное, которую прокаливают перед активацией при 300 град. С, а после активации обрабатывают 2 н. раствором хлористого натрия (см. патент РФ №2111172, кл. C 02 F 1/28, 1998 г.).

Недостатком этого способа является быстрый износ адсорбента вследствие вымывания из него относительно мягких минеральных составляющих (глинистых минералов, кальцита и цеолита), что отражается на физико-механических характеристиках и стойкости адсорбента в водных средах - срок работы в скорых фильтрах водозаборных сооружений не превышает одного года, а по окончании этого срока фильтрат начинает характеризоваться ненормативной мутностью из-за разрушения адсорбента (табл. 1).

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, - снижение износа адсорбента за счет увеличенной грязеемкости при повышенной скорости фильтрации (с учетом малого гидравлического сопротивления фильтрующей загрузки) при одновременном повышении степени очистки фильтруемой воды от ионов тяжелых металлов, солей жесткости, нефтепродуктов, фенола, поверхностно-активных веществ, ядохимикатов, при снижении цветности, мутности, взвешенных веществ.

Задача решена путем создания способа адсорбционной очистки воды посредством фильтрования воды через активированный природный адсорбент, представляющий собой кремнистую породу смешанного минерального состава, содержащую опал-кристобалит, цеолит, глинистую составляющую и обломочный материал, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Опал-кристобалит 70-83

Цеолит 3-11

Глинистая составляющая 6-17

Обломочный материал 4-10

Целесообразно природный адсорбент подвергать механической активации в течение 15-60 минут.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что в качестве адсорбента используют более качественный продукт - исходную кремнистую цеолитсодержащую породу, в которой содержание минералов, характеризующих адсорбционную активность по отношению к вредным примесям, находится в пределах 90-96%. Изменение соотношения компонентов в кремнистой породе смешанного минерального состава по сравнению с прототипом приводит к увеличению удельного объема пор, что улучшает структурные свойства адсорбента, кроме того, возрастают прочностные характеристики адсорбента (табл.1). Проведение механической активации (механоактивации) позволяет получить адсорбент более высокого качества по физико-механическим и структурным свойствам (табл. 1) в заданной фракции. Улучшение физико-механических свойств адсорбента достигается за счет дополнительного механического воздействия на материал, при котором происходит разрушение непрочных зерен и агрегатов, изомеризация формы зерен, что уменьшает износ адсорбента с увеличением скорости и гряземкости при фильтрации воды. Продолжительность механоактивации определяют опытным путем до начала разрушения адсорбента. Механоактивацию осуществляют, например, на вибростоле или вибросите, или иным способом.

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 в заявленном способе совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков, 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.

Адсорбент в воздушно-сухом состоянии дробят, измельчают и рассеивают на ситах, выделяют фракцию (1,0-3,0)10^-3 м. Материал фракции помещают в стаканы и на вибростоле подвергают механоактивации в течение 15-60 мин. Увеличение времени механоактивации более 60 мин приводит к разрушению адсорбента.

Далее на ситах выделяют повторно фракцию 1-3. В табл. 1 приведены основные физико-механические характеристики природного адсорбента, полученного при различном времени активации (примеры 3-5) В табл. 2 приведены показатели очистки воды по заявляемому способу (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 (Са²⁺ + Mg²⁺) в пределах до 15 мг-экв/л. За проскоковые приняты следующие концентрации металлов согласно СаНПин: 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 205С. 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 Са²⁺, Mg²⁺, Fe^{2+, 3+}, Cu²⁺, Ni²⁺ и др., по фонолам, 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 феольного 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.1 показано, что при времени механоактивации 15-60 мин обеспечивается повышение водостойкости до 99%, механической прочности до 25010⁴ кг/м², среднего диаметра пор по бензолу 9,0 нм, удельной поверхности до 12510³ м² /кг и предельного объема адсорбционного пространства до 0,510 м³/кг.

В табл. 2 приведены сравнительные данные по очистке воды от вредных примесей при их совместном присутствии исходным и активированным сорбентом по сравнению с прототипом. Как видно, из приведенных в таблице данных, механоактивация кремнистой цеолитсодержащей породы позволяет более эффективно проводить очистку воды. При этом время работы и динамическая емкость адсорбента до ПДК по солям жесткости по сравнению с прототипом увеличивается в 4 раза, при некотором улучшении этих 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 различных отраслях 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 следующее.

1. Производить очистку воды поверхностных и подземных источников хозяйственного и бытового водоснабжения от ионов тяжелых металлов, солей жесткости, нефтепродуктов, фенола, поверхностно-активных веществ, ядохимикатов, при снижении цветности, мутности, взвешенных веществ.

2. Улучшить экономические показатели водозаборных и других сооружений и аппаратов очистки вод за счет увеличенной грязеемкости при повышенной скорости фильтрации (с учетом малого гидравлического сопротивления фильтрующей загрузки).

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

4. Расширить область применения природного адсорбционного сырья.

Применение адсорбента планируется на централизованных водоочистных сооружениях населенных пунктов для очистки поверхностных и подземных вод хозяйственного водоснабжения (в скорых фильтрах, как фильтрующий материал вместо применяемого кварцевого песка), в коммунальных и бытовых фильтрах, на промышленных предприятиях (в т.ч. энергетической и пищевой промышленности), на сооружениях очистки сточных (оборотных) вод как промышленного, так и коммунального хозяйства станциях очистки питьевых.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с известным, обеспечивает снижение износа адсорбента за счет увеличенной грязеемкости при повышенной скорости фильтрации (с учетом малого гидравлического сопротивления фильтрующей загрузки) при одновременном повышении степени очистки фильтруемой воды от ионов тяжелых металлов, солей жесткости, нефтепродуктов, фенола, поверхностно-активных веществ, ядохимикатов, при снижении цветности, мутности, взвешенных веществ, а также снижение износа фильтрующей загрузки.