способ получения реагента для очистки промышленных вод на основе торфа

Формула изобретения

1. Способ получения реагента для очистки промышленных вод от тяжелых металлов, включающий дробление и измельчение торфа, разбавление измельченного торфа водой, механохимическую активацию полученной смеси при помощи добавления к раствору щелочи и интенсивного механического воздействия и нейтрализацию полученного реагента с использованием кислоты, отличающийся тем, что в производстве реагента используют торф естественной влажности, дробление и измельчение которого производят в процессе его смешивания с водой, а щелочную экстракцию и активацию осуществляют одновременно путем добавления щелочи непосредственно в активатор, а обработку полученного после активации продукта осуществляют щавелевой кислотой до полной нейтрализации полученного реагента, при этом воду, используемую для разбавления смеси, кислоты и щелочи, не подогревают.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что контроль за уровнем рН в реакторе при приготовлении реагента осуществляют непрерывно и добавление к смеси кислоты останавливают сразу после полной нейтрализации смеси в реакторе.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области очистки промышленных сточных или оборотных вод со слабощелочной реакцией от ионов тяжелых металлов путем перевода их в трудно растворимые в воде соединения, подвижность которых в природных средах сильно ограничена, а именно к получению реагентов для очистки данных вод на основе природных ископаемых материалов, содержащих гуминовые кислоты, например на основе торфа.

Применение данного изобретения возможно при очистке воды в хвостохранилищах горно-обогатительных комбинатов от содержащихся в них ионов тяжелых металлов, например ионов стронция, и для использования образующихся в процессе очистки воды осадков при дальнейшей рекультивации отвалов и хвостохранилищ этих или других предприятий горной промышленности, свалок или для повышения плодородия почв.

Известны способность гуминовых кислот и их солей к ионному обмену и основанное на этом свойстве их использование для очистки сточных вод от тяжелых металлов [1].

Известен «Способ получения энтеросорбента из торфа», заключающийся в том, что торф высушивают до влажности 20%, затем измельчают до размера частиц 0.16-0.25 мм и активируют при температуре 100-120°С в течение 30 минут [2]. Недостатками данного способа являются необходимость высушивания торфа и необходимость его измельчения до определенной крупности, что сильно повышает энергозатраты на производство реагента.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является техническое решение, при котором дробление и измельчение гуммитов и каустобиолитов ведут при их близкой к природной влажности, смешивают измельченный материал с горячей водой и гидратируют при интенсивном физико-механическом воздействии до образования гомогенной смеси, добавляют щелочь и гидролизуют полученную смесь до получения целевого продукта [3].

Недостатками данного способа являются большие энергозатраты на подогрев воды, затраты на предварительное дробление и измельчение природного материала, содержащего гуммиты и каустобиолиты, необходимость постоянного перемешивания приготовляемого реагента вплоть до получения целевого продукта.

Целью предлагаемого изобретение является снижение стоимости реагента для очистки промышленных вод от ионов тяжелых металлов, разработка легкоосуществимой технологии производства данного реагента, не требующей большого объема капитальных вложений и легкопереносимой с одной промышленной площадки на другую или при переходе на другой тип сырья, а также сокращение отходов производства реагента.

Поставленная цель достигается, во-первых, путем использования сырья природной влажности из местных месторождений гуммитов и каустобиолитов, что приводит к снижению транспортных расходов и расходов на подготовку сырья. Во-вторых, путем объединения (совмещения) стадий активации и щелочной экстракции при производстве реагента, что сокращает время производства реагента. В-третьих, за счет использования в качестве подкисляющего агента щавелевой кислоты, образующей с нежелательными металлами, содержащимися в используемом природном ископаемом материале, нерастворимые в воде соли и смещающей равновесие реакции нейтрализации гуматов в сторону образования гуминовых кислот. В-четвертых, за счет использования всего объема гуминосодержащего сырья без выделения активной составляющей, что также сокращает время производства реагента и снижает его стоимость, а кроме того, приводит к увеличению количества осадка, образованного в результате очистки промышленных вод, который в свою очередь используется для рекультивации отвалов, хвостохранилищ горных предприятий или для повышения плодородия почв.

Предлагаемый способ получения реагента может быть осуществлен по двум различным технологическим схемам в зависимости от химического и минерального состава гуминосодержащего сырья и состава очищаемых промышленных вод.

Первая схема с применением механохимической активации гуминосодержащего сырья и Ca(OH)₂ предполагает, что гуминосодержащее природное соединение (ископаемое), например верховой торф, загружают в дозатор, соединенный со шнековым смесителем. К тому же смесителю подсоединяют дозатор воды и дозатор щелочи.

На основе расчета необходимого количества реагента для очистки загрязненных промышленных вод, содержания активной составляющей, гуммита, в исходном ископаемом сырье определяют необходимое количество торфа, воды и щелочи, которые посредством шнекового питателя подают в механический активатор. При этом торф природной влажности смешивают со щелочью, а воду добавляют по ходу процесса в зависимости от влажности торфа. Воду при этом не подогревают.

Активатором в данной технологической схеме может служить любой измельчитель-дезинтегратор, обеспечивающий механическую активацию смеси данной консистенции, например шаровая мельница, где происходит окончательная активация и щелочная экстракция, ориентировочно в течение часа. По достижении смесью гомогенного состояния ее выгружают из активатора в накопитель, например, при помощи ленточного конвейера.

По мере готовности торфяной смеси ее помещают в реакторы, где происходит окончательное приготовление реагента. В данном случае реактором может являться любая емкость, оборудованная мешалкой, датчиком температуры и датчиком рН. Температура, при которой данный процесс идет наиболее оптимально, не превышает 30°С, что позволяет в летнее время вести весь процесс вне специально оборудованных помещений, например под навесом.

Определяя рН подготовленной смеси и ее количество, готовят подкисляющий раствор из воды и щавелевой кислоты, который через смеситель-дозатор направляют в нужный реактор. Готовый реагент представляет собой гомогенную смесь торфа и воды с содержанием свободных гумнновых кислот не менее 60% и показателем рН 7,0, сразу готовый к использованию.

Вторая схема с использованием в щелочи КОН предполагает, что гуминосодержащее природное соединение (ископаемое), например верховой торф, так же как в первой схеме, загружают в дозатор, соединенный со шнековым смесителем, но полученную смесь направляют не в механический активатор, а в экстрактор, снабженный датчиками температуры и рН. Экстракцию проводят с постепенным добавлением воды до получения гомогенной смеси, которую сразу по трубам направляют в реакторы для приготовления реагента.

В дальнейшем схема один и схема два не отличаются. Воду при этом также не подогревают.

При использовании схемы два, возможно, как вариант, осуществляется непосредственная подача реагента по трубам из реактора в очищаемый водоем, например в отстойник хвостохранилища.

Способ получения реагента для очистки промышленных вод от тяжелых металлов, включающий дробление и измельчение природных ископаемых материалов, содержащих гуминовые кислоты, разбавление измельченного материала водой, механохимическую активацию полученной смеси при помощи добавления к раствору щелочи и интенсивного механического воздействия и нейтрализацию полученного реагента с использованием кислоты, отличающийся тем, что в производстве реагента используют ископаемый материал естественной влажности, дробление и измельчение ископаемого материала производят в процессе его смешивания с водой, а щелочную экстракцию и активацию осуществляют одновременно в процессе их производства и во времени, а обработку полученного после активации продукта ведут с использованием щавелевой кислоты, до полной нейтрализации порученного реагента, при этом воду, используемую для разбавления смеси, кислоты и щелочей, не подогревают. Способ, отличающийся тем, что контроль за уровнем рН в реакторе при приготовлении реагента осуществляют непрерывно и производство реагента останавливают сразу после полной нейтрализации смеси.

Пример осуществления

В качестве примера осуществления способа представляется производство реагента из верхового торфа одного из месторождений республики Карелии.

Для производства одной тонны реагента по схеме один было взято 317,03 кг торфа природной влажности, 6,34 кг Са(ОН), 158,51 кг воды температурой 10°С для разбавления щелочи, воды для разбавления смеси (температура не измерялась), щавелевой кислоты 7,7 кг, воды для разбавления кислоты 256,8 кг.

В качестве дозатора торфа использовался металлический бункер, оборудованный аппарелью для разгрузки в него сырья из автосамосвалов. В днище бункера было устроено отверстие, соединенное со шнековым смесителем. В качестве дозаторов воды и щелочи использовались бочки, установленные на платформе выше уровня загрузочного отверстия шнекового смесителя и соединенные с ним трубами с установленными на них задвижками и приборами учета расхода жидкости. Количество загружаемого торфа определялось, исходя из производительности смесителя, количество жидкостей на основании показателей приборов учета. На выходе из шнекового смесителя был установлен активатор - шаровая мельница. В мельницу было загружено 735,5 кг смеси торфа, воды и щелочи. Процесс активации занял один час, по истечении которого гомогенизированную смесь выгрузили и посредством ленточного конвейера переместили в накопитель-дозатор, связанный посредством труб, оборудованных задвижками с двумя емкостями - реакторами для приготовления реагента.

Емкости представляли собой бочки, оборудованные датчиками рН и термометрами. Перемешивание производили мешалками лопастного типа. Процесс приготовления реагента состоял в том, что после определения рН смеси торфа, воды и щелочи производили ее подкисление раствором щавелевой кислоты до получения нейтральной среды (рН 7,0). Для чего на основании расчетов в данном случае было взято 7,7 кг HOOС-COOH и 256,8 кг воды при температуре около 10°С, которые поместили в смеситель-дозатор в виде бочки, оборудованной мешалкой, и установленный на платформе выше реакторов и снабженный системой труб, задвижек и прибором учета расхода жидкости.

В каждый реактор было загружено по 365,75 кг смеси торфа, воды и щелочи и 132,25 кг подкисляющего раствора, что вместе дало одну тонну реагента. Процесс контролировался путем определения показателя рН реагента и был прекращен после полной нейтрализации смеси. Общее время производства одной тонны реагента составило около двух часов.

Для производства реагента по схеме два было взято 247,5 кг торфа природной влажности, 5, 0 кг щелочи КОН, 242,5 кг воды температурой 10°С для разбавления щелочи, 371 кг воды для разбавления смеси (температура не измерялась), щавелевой кислоты 4,0 кг, воды для разбавления кислоты 130,0 кг.

В качестве дозатора торфа использовался металлический бункер, оборудованный аппарелью для разгрузки в него сырья из автосамосвалов. В днище бункера было устроено отверстие, соединенное со шнековым смесителем. В качестве дозаторов воды и щелочи использовались бочки, установленные на платформе выше уровня загрузочного отверстия шнекового смесителя и соединенные с ним трубами с установленными на них задвижками и приборами учета расхода жидкости. Количество загружаемого торфа определялось, исходя из производительности смесителя, количество жидкостей на основании показателей приборов учета. На выходе из шнекового смесителя устанавливали экстрактор с мешалкой лопастного типа.

Торф природной влажности в количестве 247,5 кг смешивался с раствором щелочи КОН в количестве 5 кг и воды количестве 242,5 кг (раствор готовился заранее в смесителе-дозаторе на основе расчетов и данных анализа показателей рН торфа) в шнековом смесителе до получения однородной смеси за счет подбора производительности смесителя, к которой по мере ее поступления в экстрактор добавлялась дополнительная вода. Процесс контролировался по показаниям датчиков рН, установленных в экстракторе. В результате было получено в двух экстракторах по 433,0 кг смеси торфа, воды и щелочи.

По мере достижения заданных показателей количества и качества смеси она по трубам перегружалась в реакторы для приготовления реагента, и дальнейший процесс шел по схеме один. В каждый реактор было загружено по 433,0 кг смеси торфа, воды и щелочи и 67,0 кг подкисляющего раствора, что вместе дало одну тонну реагента. Процесс контролировался путем определения показателя рН реагента и был прекращен после полной нейтрализации смеси. Общее время производства одной тонны реагента составило около пяти часов.

Полученный реагент испытывался в производственных условиях и в лабораторных. Испытания в лаборатории дали следующие результаты:

Элемент	Значение (мг/л)
	Исходная вода	Вода после очистки реагентом
Кальций	79	26
Марганец	1,8	0,9
Стронций	3,9	1,6

Испытания проб воды из отстойника хвостов обогащения дали аналогичные результаты. Кроме того, испытания образующегося после очистки воды в отстойнике осадка дали положительные результаты при использовании его в качестве удобрения почв на отвалах, так как миграция в окружающую среду связанных вредных элементов не наблюдалась в течение года, а рост растительности на участках внесения осадка превышал рост растительности на контрольных участках. В результате можно говорить о полностью безотходной технологии производства данного реагента.

Источники информации

1. Лиштван И.И., Круглицкий Н.Н., Тереньев В.Ю. «Физико-химическая механика гуминовых веществ». Минск, Наука и техника, 1976 г., с.5-7, с.94, с.107-116.

2. Патент РФ № 2062780, Касимова Л.В., Панина О.П., Кобзева Е.А. Способ получения энтеросорбента из торфа, 27.06.96, Бюл. № 18.

3. Патент РФ № 2233293, Шульгин А.И., Шульгин А.А. «Гумино-минеральный реагент и способ его получения, способ санации загрязненных почв, способ детоксикации отходов добычи и переработки полезных ископаемых и рекультивации отвалов горных пород и хвостохранилищ, способ очистки сточных вод и утилизации осадков» 27.07.2004, Бюл. № 21 (прототип)