ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2283814
СПОСОБ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД,
ЗАГРЯЗНЕННЫХ ОТХОДАМИ КАМНЕРЕЗНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Имя изобретателя: Рослякова Нина Григорьевна (RU); Вешт Эдуард Геннадьевич
Имя патентообладателя: Рослякова Нина Григорьевна (RU); Вешт Эдуард Геннадьевич
Адрес для переписки: 191040, Санкт-Петербург, а/я 40, О.Л. Сандигурскому
Дата начала действия патента: 2005.04.19
Изобретение относится к технологии очистки сточных вод, загрязненных
взвешенными каменными частицами, и обеспечивает получение продукта, который может
быть использован в качестве коагулянта. В способе очистки сточных вод, загрязненных
отходами камнерезного производства, включающем коагуляцию и осаждение взвешенных
веществ, извлекают часть отстоявшегося каменного шлама, смешивают его с фосфорной
кислотой и/или ее растворимыми солями из расчета 5-10 кг на 100 л каменного шлама,
выдерживают смесь до прекращения газовыделения и вводят полученный продукт в
очищаемую воду в количестве 1-3 мл на 1 л очищаемой воды. В результате увеличивается
скорость осаждения взвешенных каменных частиц в процессе очистки сточных вод,
загрязненных отходами камнерезного производства, упрощается и удешевляется этот
процесс.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к технологии очистки сточных вод, загрязненных
взвешенными каменными частицами.
Известен способ очистки вод, загрязненных неорганическими веществами, путем
внесения сорбента, флокулянта, коагулянта и минерального замутнителя; в качестве
сорбента и минерального замутнителя вносят смесь гидролизованных грубо- и
тонкодисперсных алюмосиликатов в соотношении между ними 1:1-2:1 в количестве 20-900 мг/л, в
качестве флокулянта вносят коллоидно-дисперсные алюмосиликаты в количестве 1-100 мг/л, а
в качестве коагулянта вносят композицию молекулярно-дисперсных гидроксидов алюминия,
кремния, железа, титана, кальция, магния в суммарном количестве 1-80 мг/л, RU 2143403.
Данный способ довольно сложен, поскольку требует наряду с внесением коагулянта также
внесение флокулянта, сорбента и минерального замутнителя. Применяемая в качестве
коагулянта композиция молекулярно-дисперсных гидроксидов алюминия, кремния, железа,
титана, кальция, магния является весьма дорогостоящей и трудноосуществимой.
Известен способ очистки сточных вод, загрязненных отходами камнерезного
производства, включающий коагуляцию и осаждение взвешенных веществ.
Согласно этому способу, принятому за прототип настоящего изобретения, в загрязненную
воду вводят коагулянт в виде Al2(SO 4)3 и флокулянт (полиакриламид), см.
СНиП 20402-84 (копия ссылки прилагается).
Основным недостатком этого способа является малая скорость осаждения взвешенных
веществ, представляющих собой мелкодисперсные каменные частицы.
Обрабатываемые камни имеют сложный химический и минералогический состав и
представляют собой труднорастворимые соединения алюминия, кальция, титана, железа,
кремнезема и других элементов («Химическая энциклопедия», М., 1961, T.1, c.c.847-852, 888-894).
Каждая частица - осколок разрушенного камня - имеет на своей поверхности гидратные,
карбонатные поверхностные соединения Al(ОН)3 , Fe(ОН)3, SiO2·nH2О и
гидроксильные и карбоксильные группы:
Коагулирующим агентом в способе-прототипе является Al(ОН)3, который образуется
при гидролизе Al2 (SO4)3. Однако скорость этого гидролиза чрезвычайно
мала и, соответственно, мала скорость осаждения взвешенных каменных частиц. Для
ускорения этого процесса в способе-прототипе дополнительно используют флокулянт-полиакриламид.
Кроме того, способ-прототип требует постоянного введения новых порций реагентов - Al2(SO4)3
и полиакриламида.
Это существенно удорожает и усложняет процесс, но, тем не менее, не обеспечивает
скорости осаждения взвешенных каменных частиц, достаточной для создания замкнутого
водооборотного цикла.
В основу настоящего изобретения положено решение задачи увеличения скорости
осаждения взвешенных каменных частиц в процессе очистки сточных вод, загрязненных
отходами камнерезного производства, упрощения и удешевления этого процесса.
Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в способе очистки сточных
вод, загрязненных отходами камнерезного производства, включающем коагуляцию и
осаждение взвешенных веществ, извлекают часть отстоявшегося каменного шлама,
смешивают его с фосфорной кислотой из расчета 5-10 кг на 100 л каменного шлама, выдерживают
смесь до прекращения газовыделения и вводят полученный продукт в очищаемую воду в
количестве 1-3 мл на 1 л очищаемой воды.
Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях,
идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии
критерию «новизна».
Обработка каменного шлама фосфорнокислыми ингредиентами приводит к разложению
карбонатных и гидроксидных поверхностных соединений и замене функциональных групп на
фосфорнокислые.
Происходящие при этом процессы могут быть представлены следующими схемами:
Поверхностные =SiOH, =FeOH, -CaOH и другие гидроксильные группы замещаются на фосфорнокислые
(=РО4) функциональные группы.
Новые модифицированные частицы в результате хемосорбционных превращений имеют
измененный химический состав поверхности, так как образуются поверхностные
соединения: фосфаты кальция, железа, алюминия и других элементов.
Принятые условия реализации способа (комнатная температура, атмосферное давление, рН=2,5-5)
позволяют сохранить минералогическую структуру каменных наночастиц.
Получаемые частицы отличаются от взвешенных частиц каменного шлама наличием
фосфатных функциональных групп на их поверхности и подобны им по строению. В таком
случае в соответствии с принципом Ле Шателье система стремится к интенсивной
коагуляции взвешенных частиц, быстрому осаждению и уплотнению осадка.
Заявителем не обнаружены какие-либо источники информации, содержащие сведения о
влиянии заявленных отличительных признаков на достигаемый вследствие их реализации
технический результат. Это, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии
данного технического решения критерию «изобретательский уровень».
Заявленный способ позволяет с большой скоростью очищать воду, загрязненную отходами
камнерезного производства; при этом вместо дорогостоящих коагулянтов и флокулянтов
используются сами эти отходы и весьма дешевая фосфорная кислота. Полученный в
результате очистки воды продукт может быть успешно утилизирован:
- в качестве коагулянта для дальнейшей очистки сточных вод от ряда загрязнителей;
- в качестве сорбента для очистки почвы от соединений тяжелых металлов;
- в качестве ингредиента огнезащитных покрытий.
Реализация способа осуществляется следующим образом.
Пример 1. Получение продукта из каменного шлама (коагулянта).
В два параллельных горизонтальных отстойника общей емкостью 250 м3 была залита
сточная вода, загрязненная отходами камнерезного производства, содержащая 2000 мг/л
взвешенных веществ в пересчете на сухое вещество с размерами частиц 1-60 нм.
Первичное осаждение осуществляли в течение 24 часов. В бочку емкостью 200 л поместили 100
л каменного шлама, добавили при периодическом перемешивании 5 кг концентрированной
фосфорной кислоты, и выдерживали смесь до полного прекращения газовыделения (48 часов).
В результате осажденный каменный шлам имеет следующий химический состав (в мас.%): SiO2
- 26%, Al2 O3 - 28%, Fe2О3 - 8%, MgO - 22%, CaO - 0,2%, остальное - структурная вода и
интермицеллярная жидкость, имеющая рН=5, плотность 1,4 г/см3.
После взаимодействия с фосфорной кислотой на поверхности первичных нанометрических
частиц каменного шлама образовались фосфорнокислые поверхностные соединения (FePO4,
AlPO4, Са(PO4)2 и др.), а поверхностные =Si-OH, =FeOH, -CaOH и другие гидроксильные
группы нанометрических первичных частиц замещены при этом на фосфорнокислые (=PO4)
функциональные группы.
Пример 2.
То же, что в примере 1, но к 100 л отстоявшегося каменного шлама добавили 7 кг
концентрированной фосфорной кислоты. После периодического перемешивания в течение 24
час получили продукт с плотностью 1,4 г/см3 и рН=3.
Пример 3.
То же, что в примере 1, но к 100 л каменного шлама добавили 10 кг концентрированной
фосфорной кислоты. Через 24 часа получали продукт с плотностью 1,35 г/см3, рН=2,5.
Пример 4.
То же, что в примере 1, но к 100 л каменного шлама добавили 3 кг концентрированной
фосфорной кислоты. Получили продукт с плотностью 1,3 г/см3 и рН=8.
Пример 5.
То же, что в примере 1, но к 100 л каменного шлама добавили 15 кг концентрированной
фосфорной кислоты. Плотность полученного продукта 1,4 г/см3, рН=1,5.
Полученные продукты (примеры 1-5) существенно отличаются величиной рН; они затем были
использованы в качестве коагулянтов для осветления сточной воды камнерезного
производства. Результаты экспериментов по осветлению воды приведены ниже.
Примеры 6-30. Осветление сточной воды.
Осуществлено 25 экспериментов по осветлению сточной воды камнерезного производства с
исходной концентрацией взвешенных веществ во всех экспериментах 2000 мг/л продуктами,
полученными из каменного шлама (коагулянтами) в соответствии с примерами 1-5. Коагулянты
при этом имели градацию рН от 1,5 до 8. Коагулянт с каждым значением рН вводился в
очищаемую воду в объеме от 0,5 до 6,0 мл на 1 л очищаемой воды (примеры 6-30). Эксперименты
осуществлялись в вертикальном отстойнике емкостью 15 м3, в котором помещалось по 10
м3 очищаемой воды. Концентрация взвешенных веществ до и после осветления воды
определялась гравиметрическим методом в соответствии с методикой ПНД 14.1.2.110-97.
Скорость осаждения взвешенных частиц определялась путем линейных измерений
перемещения фронта осаждаемых частиц. При определении концентрации и скорости
осаждения взвешенных веществ в воде в каждом примере для повышения точности
результатов осуществлялось 3 измерения и в таблицу 1 занесены средние значения
результатов этих измерений.
|
Таблица 1
|
|
рН коагулянта
|
№ примера
|
Объем коагулянта (мл) на 1 л очищаемой воды
|
Среднее значение концентрации взвешенных веществ в воде после осветления (мг/г)
|
Скорость осаждения взвешенных веществ в воде (см/мин)
|
|
5 (по примеру 1)
|
6
|
0,5
|
180
|
0,1
|
|
7
|
1,0
|
11
|
2
|
|
8
|
2,0
|
6
|
6
|
|
9
|
3,0
|
5
|
10
|
|
10
|
6,0
|
5
|
10
|
|
3 (по примеру 2)
|
11
|
0,5
|
160
|
0,2
|
|
12
|
1,0
|
10
|
3
|
|
13
|
2,0
|
5
|
7
|
|
14
|
3,0
|
4
|
11
|
|
15
|
6,0
|
4
|
11
|
|
2,5 (по примеру 3)
|
16
|
0,5
|
150
|
0,25
|
|
17
|
1,0
|
9
|
3,5
|
|
18
|
2,0
|
4,5
|
7,5
|
|
19
|
3,0
|
4
|
12
|
|
20
|
6,0
|
4
|
12
|
|
8 (по примеру 3)
|
21
|
0,5
|
250
|
0,05
|
|
22
|
1,0
|
140
|
0,08
|
|
23
|
2,0
|
110
|
0,1
|
|
24
|
3,0
|
90
|
0,1
|
|
25
|
6,0
|
70
|
0,15
|
|
1,5 (по примеру 5)
|
26
|
0,5
|
150
|
0,25
|
|
27
|
1,0
|
9
|
3,5
|
|
28
|
2,0
|
4
|
12
|
|
29
|
3,0
|
4
|
12
|
|
30
|
6,0
|
4
|
12
|
Анализ приведенных в таблице 1 результатов показывает, что оптимальные границы
значений массы вводимой на 100 л каменного шлама концентрированной фосфорной кислоты
лежат в пределах от 5 до 10 кг, что соответствует диапазону рН получаемого коагулянта 5-2,5.
При рН свыше 5 (примеры 21-25, рН=8) концентрация взвешенных веществ в воде после осветления
недопустимо высокая, а скорость их осаждения весьма низкая. При рН менее 2,5 (пример 26-30,
рН=1,5) расход H3PO4 неоправданно высок (15 кг на 100 л), а количественные параметры
осаждения взвешенных частиц практически те же, что и при расходе H 3PO4 10 кг на
100 л (рН=2,5).
Из таблицы 1 также видно, что оптимальные границы объема вводимого в очищаемую воду
продукта оставляют от 1 до 3 мл на 1 л воды.
Пример 31.
Обработка почвы, загрязненной соединениями свинца, была проведена вторичным
продуктом, полученным в результате осаждения взвешенных частиц в соответствии с
заявляемым способом.
Добавление продукта в почву и испытание (количественное определение общего свинца и
его подвижны форм) было выполнено по методам испытаний РД 52.18.191.89 и ПНД ф. 16.4-97.
Результаты экспериментов.
До обработки почвы общее содержание свинца составляло 108,9 мг/кг. Содержание подвижных
форм - 25,2 мг/кг. После обработки почвы продуктом содержание подвижных форм свинца - 0,6 мг/г,
т.е. достигнуто уменьшение в 40 раз.
Пример 32.
Для очистки сточных вод, загрязненных неорганическими веществами, в пробу,
содержащую водорастворимые соединения меди, никеля, кадмия, свинца, железа вводили тот
же продукт, что и в примере 31 из расчета 20-200 мг на 1 л очищаемой воды.
Пробу встряхивали в течение 2-3 мин, отстаивали в течение 1 часа и определяли
содержание этих веществ до и после контакта.
Концентрации загрязнителей до и после очистки воды приведены в таблице 2.
|
Таблица 2
|
|
|
Исходная концентрация загрязнителей
|
Концентрация загрязнителей после очистки
|
Степень очистки
|
|
Элемент-загрязнитель
|
Сисх мг/л
|
Сост мг/л
|
%
|
|
Cu 2+
|
1,95
|
0,002
|
99,8
|
|
Ni 2+
|
0,96
|
0,01
|
98,8
|
|
Cd 2+
|
0,01
|
0,001
|
90,0
|
|
Pb 2+
|
0,14
|
<0,001
|
96,0
|
|
Fe 3+
|
0,73
|
0,01
|
98,3
|
Способ может быть реализован с использованием несложного оборудования, имеющегося
на каждом камнеообрабатывающем предприятии, что обусловливает соответствие
изобретения критерию «промышленная применимость».
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ очистки сточных вод, загрязненных отходами камнерезного
производства, включающий коагуляцию и осаждение взвешенных веществ, отличающийся
тем, что извлекают часть отстоявшегося каменного шлама, смешивают его с фосфорной
кислотой из расчета 5-10 кг на 100 л каменного шлама, выдерживают смесь до прекращения
газовыделения и вводят полученный продукт в очищаемую воду в количестве 1-3 мл на 1 л
очищаемой воды.
Версия для печати
Дата публикации 22.02.2007гг
вверх
|
