способ получения сорбента для очистки сточных вод

Формула изобретения

1. Способ получения сорбента для очистки сточных вод, содержащий обработку химическим реагентом измельченной древесины, отличающийся тем, что измельченную древесину получают из пневой древесины, извлеченной из торфяной залежи, после чего ее разделяют на фракции и обрабатывают раствором минеральной кислоты с последующей укладкой обработанной измельченной древесины в фильтровальную установку, при этом по направлению движения потока фильтрации размер древесных фракций увеличивается.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что размер древесных фракций изменяется от 1 до 10 мм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве минеральной кислоты используют соляную кислоту концентрацией 0,01-4 н. раствора.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку измельченной древесины ведут в течение 10-12 ч путем замачивания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу получения сорбционного материала по очистке воды, а именно к способу получения сорбционной загрузки на основе природного сорбента. Такая загрузка может быть использована при очистке промышленных, бытовых и поверхностных сточных вод одновременно от взвешенных веществ, нефтепродуктов, коллоидно-растворенных форм солей и ионов тяжелых металлов, органических загрязнений. Так как очищаемая вода с разными видами загрязнения является полярной жидкостью, то весь процесс очистки таким материалом основан на протекании сорбционных динамических процессов.

Известны способы получения природных и синтетических сорбентов, применяемых в качестве фильтровальной загрузки для очистки воды (сточных вод). К ним относятся способы получения активных углей, синтетических смол, неуглеродных сорбентов, модифицированных древесных опилок, торфяных модификаций [Смирнов А.Д. Сорбционная очистка воды. - Л.: Химия, 1982. - С.7-24].

Известно использование торфа как природного органического сорбента и материалов на его основе (гранулированный торф и т.п.) в качестве сорбционно-фильтровальной загрузки [Патент РФ 2102319, МКИ В 01 J 20/20, 1998], что позволяет заменить дорогие искусственные и синтетические материалы, производство которых сопряжено с загрязнением окружающей среды вредными веществами, на доступные из местного сырья.

Известен способ получения сорбента из древесных опилок, специально обработанных раствором 1-(2-оксиэтил)-4,5,6,7-тетрагидроиндола в массовом соотношении 1:(0,01-0,1) соответственно для сорбционного извлечения тяжелых металлов (железа и хрома) из сточных вод различных производств [А.С. SU №1498551, МКИ В 01 J 20/22, 07.08.89]. Однако данный способ основан на использовании этилового раствора искусственного органического реагента-модификатора, который нерастворим в воде и относительно дорог. Также недостатком данного способа является недостаточно высокая сорбционная емкость по ионам тяжелых металлов (меди) и вследствие этого невысокая степень очистки сточных вод.

Известен способ получения сорбента из древесных опилок, специально подвергнутых хемосорбционному модифицированию раствором 1,2-бис(оксазолидинил-3)метана (БОМ) в массовом соотношении 1:0,01 соответственно для сорбционного извлечения меди из сточных вод различных производств [А.С. SU №1787524, МКИ В 01 J 20/22, 15.01.93]. Однако данный способ основан на использовании токсичного ацетонового раствора искусственного органического реагента-модификатора БОМ высокой стоимости.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения сорбента для очистки сточных вод от меди, на основе древесных опилок (измельченной древесины), путем их обработки химическим реагентом - органическим раствором N-(2-оксибензилиден)-2-аминоэтанола (ОБЭ) [А.С. SU №1787525, МКИ В 01 J 20/22, С 02 F 1/28, 15.01.93]. Однако данный способ основан на использовании токсичного ацетонового раствора искусственного органического реагента-модификатора ОБЭ высокой стоимости. Узкий диапазон оптимального массового соотношения опилки - реагент 1:0,1 усложняет производство данного сорбента. При его регенерации используется раствор кислоты, чистая вода и свежий ацетоновый раствор. Данный сорбент рекомендуется для ограниченного использования - только для очистки от ионов меди, а его утилизация представляет определенные трудности. Сама измельченная древесина (опилки) является ценным экологически чистым сырьем для дальнейшего использования в народном хозяйстве. Также недостатком является недостаточно высокая сорбционная емкость получаемого таким способом сорбента. Данный способ получения сорбента является экономически дорогим, экологически не целесообразным и мало доступным для реализации в производственных условиях.

Задачей изобретения является разработка способа получения эколого-экономически эффективного сорбента для комплексной очистки с использованием исходного материала природно-активизированного происхождения, позволяющего расширить диапазон использования.

Поставленная задача достигается тем, что по способу получения сорбента для очистки сточных вод, содержащему обработку химическим реагентом измельченной древесины, согласно изобретению, измельченную древесину получают из пневой древесины, извлеченной из торфяной залежи, после чего ее разделяют на фракции и обрабатывают раствором минеральной кислоты с последующей укладкой обработанной измельченной древесины в фильтровальную установку, при этом по направлению движения потока фильтрации размер древесных фракций увеличивается.

В частном случае способа размер древесных фракций изменяется от 1 до 10 мм. Кроме того, в качестве минеральной кислоты используется соляная кислота концентрацией 0,01-4 н. раствора. Обработку измельченной древесины осуществляют путем замачивания в растворе минеральной кислоты в течение 10-12 часов.

Способ получения сорбционной загрузки заключается в следующем.

В образовании сорбционной загрузки используется материал, полученный из древесины, которая извлечена из торфяной залежи специально при подготовке ее к разработке или в процессе добычи торфа. Древесные включения являются отходами торфяного производства. Отделение древесных включений от остатков торфа и их измельчение производится на грохотах и перерабатывающих механизмах по принятой технологии получения различной продукции из торфа. В отличие от обычной древесины в торфяной залежи древесина растений в процессе разложения и образования торфа приобретает специфические свойства, дающие измельченной и обработанной минеральной кислотой древесине новые сорбционные и ионообменные характеристики, позволяющие расширить диапазон поглощаемых веществ.

Причем сорбционные свойства такой загрузки возрастают при уменьшении размеров фракций. Поэтому исходный древесный материал из торфяной залежи измельчают до размеров частиц от 1 до 10 мм на рубильных машинах или перетирающих устройствах. Такой материал с сохраненной исходной микроструктурой имеет высокую поглотительную способность. Выбор размеров указанных фракций частиц обусловлен необходимостью получения наименьшего гидравлического сопротивления загрузки потоку жидкости. Предлагаемый диапазон размеров частиц является оптимальным. При использовании частиц малых размеров (менее 1 мм) увеличивается гидравлическое сопротивление загрузки фильтрату, что приводит к уменьшению скорости фильтрования очищаемой воды и в целом к ухудшению фильтрационных свойств загрузки. В случае использования частиц больших размеров (более 10 мм) - не обеспечивается полного взаимодействия очищаемой воды с сорбентом, что приводит к снижению эффективности очистки.

Целесообразно перед использованием полученного материала в качестве загрузки для полного удаления из него природно-сорбированных ионов и легкогидролизуемых соединений обрабатывать его раствором минеральной кислоты путем замачивания в течение 10-12 часов, например 0,01-4 н. раствором соляной кислоты.

Для лучшего проявления сорбционно-ионообменных свойств укладывают полученный материал загрузки в определенной последовательности в зависимости от размеров фракций, располагая их по направлению потока фильтрации: вначале частицы размером от 1 до 5 мм; а затем - размером от 5 до 10 мм. При таком упорядоченном расположении фракций верхние слои загрузки работают более эффективно, задерживая коллоидные частицы меньших размеров и препятствуя их выносу в фильтрат. В целом достигается наиболее полный рабочий объем загрузки.

Сорбционно-фильтровальную загрузку рекомендуется выполнять длиной от 40 до 6000 мм, так как указанный диапазон размеров обусловлен особенностями конструкций типовых фильтровальных установок и содержанием загрязнений в исходной воде, подвергаемой очистке.

Преимуществом является то, что предлагаемая загрузка практически не разрушается при длительной ее эксплуатации. Регенерация загрузки соляной или серной кислотой не приводит к значительной потере ее сорбционной емкости.

Данную загрузку, которую изготавливают из отходов торфяной промышленности, рекомендуется утилизировать путем получения малосернистого топлива для металлургии, коммунально-бытового топлива для нужд малой энергетики и т.д.

Пример 1. Сорбционную загрузку получали следующим образом:

Брали торфяные древесные включения из торфа влажностью 40% в количестве 1 кг, отделяли их от торфа, измельчали в шнековом механизме и путем ручного перетирания. Классифицировали на ситах по фракциям от 1 до 5 мм и с 5 до 10 мм. Полученную таким образом каждую фракцию материала обрабатывали 0,1 н. раствором соляной кислоты. После окончания обработки частицы материала отделяли от раствора кислоты путем сливания через сито с диаметром менее 1 мм. Затем частицы материала подвергали сушке в вакууме при температуре 20°С.

Далее формировали сорбционную загрузку путем последовательной укладки частиц материала в фильтровальной колонке диаметром 40 мм. При этом брали вначале фракции материала от 5 до 10 мм и формировали второй слой по отношению к направлению фильтрации длиной 54 мм, затем из фракций от 1 до 5 мм - первый слой длиной 27 мм. Таким образом, получили фильтр с сорбционной загрузкой объемом 100 см³.

Пример 2. Определение динамической сорбционной емкости загрузки, полученной аналогично примеру 1.

Через колонку с сорбционной загрузкой объемом 100 см³ пропускали со скоростью 5 л/час·дм² 1000 мл растворов солей тяжелых металлов (Me²⁺, в т.ч. меди) или сточных вод, содержащих ионы тяжелого металла (Me²⁺, в т.ч. медь).

На выходе из колонки определяли остаточное содержание в профильтрованном растворе ионов тяжелых металлов. Результаты исследований в сравнении с прототипом приведены в табл. 1.

Пример 3. Проводили очистку сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов, нефтепродукты, взвешенные вещества. С этой целью сточные воды количеством 5 л с реакцией среды рН 5,1 пропускали нисходящим потоком через предлагаемую фильтровальную колонку аналогично примеру 2. Исследовали эффективность очистки стоков по остаточному содержанию загрязнений в фильтрате. При этом очищаемые сточные воды до фильтрования содержали следующие виды загрязнений (по концентрации): взвешенные вещества - 45,7 мг/л, нефтепродукты - 3,2 мг/л, в коллоидно-растворенной форме соли тяжелых металлов - Zn - 0,6 мг/л, Сu - 1,8 мг/л, растворы солей в ионной форме - Fе_общ - 3,2 мг/л, Сu - 4,6 мг/л.

Результаты очистки сточных вод в сравнении с прототипом приведены в табл. 2. При этом техническим результатом, который достигается при использовании предлагаемой загрузки, является повышение ее сорбционной емкости и эффективности очистки воды от взвешенных, коллоидных частиц и от нефтепродуктов по сравнению с прототипом.

Анализ результатов исследования показывает, что по сравнению с прототипом сорбционная емкость предлагаемой загрузки выше в 13,3-21,4 раза. Кроме того, эффективность очистки по взвешенным, коллоидным примесям и нефтепродуктам составляет 93,4-98,7%. Степень извлечения катионов из растворов также высокая и составляет 99,7-99,8%.

Таким образом, заявляемый способ получения сорбента является достаточно доступным для реализации в производственных условиях. Сорбционная загрузка, выполненная из материала природно-активизированного происхождения, обладает высокой поглотительной емкостью и хорошей проницаемостью.

Таблица 1 Характеристики сорбентов
Показатели	Прототип (А.С. SU №1787525)		Предлагаемая сорбционная загрузка
Сорбционная емкость Me 2+, мг-экв/г	0,203		2,7-4,35
Пористость, %	-		71,3
Таблица 2 Эффективность очистки воды
Показатели		Эффективность очистки, %
		Прототип (А.С. SU №1787525)		предлагаемая сорбционная загрузка
Взвешенные вещества		-		98,2
Нефтепродукты		-		93,4
Катионы в коллоидно-растворенной форме:
- Zn		-		98,6
- Сu		-		98,7
Катионы в ионной форме:
- Fеобщ		-		99,7
- Сu		93,7-99,8		99,8