Способ очистки воды от ионов тяжелых металлов

Способ очистки воды от ионов тяжелых металлов

Реферат

Настоящее изобретение относится к способам очистки воды и может быть использовано при очистке воды открытых водоемов, в том числе природных, загрязненных растворенными тяжелыми металлами, а также стоков промышленных предприятий.

Известен способ очистки воды от ионов тяжелых металлов (см. патент РФ №2081839, МПК⁶ С 02 F 1/66, 1997) путем обработки воды открытого водоема реагентом, в качестве которого используют карбонатит с содержанием карбоната кальция 75-86 мас.% при суммарном содержании карбонатов в реагенте 80-95 мас.% и расходе реагента 0,05-10 г/л. Крупность частиц реагента составляет 0,01-0,2 мм. Способ обеспечивает очистку воды от загрязнений минеральными кислотами, ионами железа, меди и некоторых других тяжелых металлов.

Однако известный способ очистки не позволяет эффективно очищать природные воды от загрязнения ионами никеля. Даже при максимальном расходе реагента - 12 г/л остаточная концентрация этого металла многократно превышает ПДК для рыбохозяйственных водоемов, а извлечение никеля в осадок не превышает 76%. В силу низкой крупности частиц реагента и соответственно их пониженных фильтрационных характеристик, способ невозможно использовать для очистки сточных вод фильтрацией через слой реагента.

Известен также способ очистки воды от ионов тяжелых металлов (см. авт. св. СССР №473679, МКИ² С 02 С 5/02, 1975) путем обработки сточной воды мелкодисперсными материалами в виде золы или шлака, содержащими оксид кальция и диоксид кремния в соотношении CaO:SiO₂=1,4-1,9, при перемешивании пропеллерной мешалкой с осаждением силикатов тяжелых металлов на поверхности частиц золы или шлака и последующего отделения твердой фазы. Очистке подвергают воду с рН 3,7-5,7 в течение 3-90 мин. Обработанная вода имеет рН 8,41-9,5. Способ обеспечивает очистку воды от ионов цинка, меди, свинца, марганца, железа и кобальта при их относительно невысокой концентрации в очищаемой воде.

К недостаткам данного способа относятся необходимость интенсивного перемешивания воды и реагента и высокое конечное значение рН воды (8,41-9,5), что не позволяет использовать способ для очистки воды открытых водоемов. Использование в качестве реагента мелкодисперсных материалов, особенно золы, ухудшает фильтрацию очищаемой воды через слой реагента.

Изобретение направлено на решение задачи разработки способа очистки воды от ионов тяжелых металлов, пригодного для очистки воды как открытых водоемов, так и стоков, с обеспечением высокой степени очистки воды от ионов никеля, меди, цинка и железа. Изобретение также решает задачу улучшения фильтрации очищаемой воды через слой реагента.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, достигается тем, что в способе очистки воды от ионов тяжелых металлов путем обработки воды реагентом, содержащим соединения кальция и кремния, с образованием осадка соединений тяжелых металлов, согласно изобретению в качестве реагента, используют смесь карбонатита и активного кремнезема, взятых в соотношении 0,8-1:1, а обработку воды ведут до обеспечения рН 6,5-8,0 при расходе реагента 2-20 г/л.

Технический результат достигается также тем, что используют карбонатит с содержанием карбоната кальция не менее 75 мас.%.

Технический результат достигается и тем, что в качестве активного кремнезема используют продукт обработки форстеритового концентрата 20-30%-ной серной кислотой в присутствии затравки вермикулита при температуре 55-65°С.

Достижению технического результата способствует также то, что обработку воды ведут реагентом с крупностью частиц 0,10-0,16 мм.

Карбонатит в составе реагента играет роль регулятора среды. Поскольку гидросиликаты никеля образуются только в щелочной среде, то предпочтительно использовать карбонатит с содержанием карбоната кальция не менее 75 мас.%. При этом создается устойчивая щелочная реакция растворов и, в то же время, величина рН не превышает опасные для природных водоемов значения. Используемый карбонатит имеет состав, мас.%: СаО 49,05; MgO 4,05; Al₂О₃ 0,46; Na₂O 0,07; К₂О 0,04; CO₂ 41,33; SiO₂ 1,24; P₂O₅ 3,80.

Применение в составе реагента активного кремнезема обеспечивает образование осадка преимущественно основных гидросиликатов тяжелых металлов, устойчивых в гипергенных условиях, что повышает степень очистки воды. Тяжелые металлы в составе образующихся гидросиликатов практически не растворимы в воде при величинах рН, характерных для природных водоемов, что исключает вторичное загрязнение за счет растворения осадка при изменении рН воды.

Активный кремнезем является продуктом сернокислотной обработки форстеритового концентрата, имеющего состав, мас.%: MgO 50,50; SiO₂ 40,54; FeO 5,45; СаО 1,44; CO₂ 0,87; MnO 0,42; P₂O₅ 0,26; Fe₂O₃ 0,25; К₂О 0,14; Na₂O 0,14; ZrO₂ 0,3; SrO 0,05; TiO₂ 0,04; Al₂О₃ 0,08. Форстеритовый концентрат обрабатывают 20-30%-ной серной кислотой в присутствии затравки при температуре 55-65°С в течение 4-6 часов. В качестве затравки используют мелкоизмельченные слоистые силикаты, например вермикулит, который вводят в количестве 5% от количества форстеритового концентрата. Использование затравки обеспечивает получение кремнезема пластинчатой формы с улучшенными фильтрационными характеристиками, обладающего высокой реакционной способностью за счет развитой поверхности и в то же время относительно крупнодисперсного. Выбор температурного режима (55-65°С) обработки форстеритового концентрата обусловлен следующим: при температуре ниже 55°С существенно возрастает время процесса, а при температуре более 65°С начинается обратная реакция синтеза форстерита.

Соотношение карбонатита и активного кремнезема 0,8-1:1 выбирают исходя из следующего. При соотношении менее 0,8:1 не обеспечивается устойчивая щелочная реакция. При соотношении более 1:1 увеличивается общий расход реагента для достижения нужного эффекта, то есть часть карбонатита не вовлекается в процесс очистки, что экономически нецелесообразно.

Количество вводимого реагента должно обеспечивать приемлемые показатели извлечения ионов тяжелых металлов в осадок с одновременным поддержанием уровня рН в диапазоне 6,5-8,0, что определяется требованиями к качеству воды природных водоемов. Предпочтительный расход реагента составляет 2-20 г/л. При расходе реагента менее 2 г/л не будет обеспечиваться высокая степень очистки воды, а расход реагента более 20 г/л нежелателен с технологической и экономической точек зрения.

Предпочтительная крупность частиц реагента составляет 0,1-0,16 мм. При меньшей крупности не обеспечивается фильтрация очищаемой воды, а при большей - не успевает произойти реакция взаимодействия с ионами удаляемых металлов.

Сущность и преимущества заявляемого способа поясняются следующими Примерами. Во всех Примерах проводили очистку опытных объемов воды, содержащих сульфаты цветных металлов и железа.

Пример 1. Осуществляют очистку воды с рН 5,8, содержащей 29,5 мг/л никеля в виде NiSO₄. Воду в количестве 1 л обрабатывают смесью карбонатита (содержание карбоната кальция 80 мас.%) и активного кремнезема, взятых в соотношении 0,8:1. Активный кремнезем получают предварительно при обработке форстеритового концентрата 30%-ной серной кислотой в присутствии затравки вермикулита, взятой в количестве 5% по отношению к количеству концентрата. Обработку форстеритового концентрата ведут в течение 4 ч при температуре 55°С. Полученный активный кремнезем смешивают с карбонатитом до обеспечения вышеуказанного соотношения компонентов. Расход реагента в 3-х опытах данного Примера составляет 2, 10 и 20 г/л при крупности частиц реагента в диапазоне 0,1-0,16 мм. Обработку воды ведут в течение 60 минут до обеспечения рН 7,6, 7,7 и 8,0 с образованием осадка основного гидросиликата никеля. После полного оседания реагента отбирают пробу воды на анализ. Основные параметры процесса и степень очистки воды от ионов никеля приведены в Таблице.

Пример 2. Процесс ведут в соответствии с условиями Примера 1. Отличие заключается в том, что соотношение карбонатита и активного кремнезема принимают равным 1:1. Расход реагента в 3-х опытах данного Примера составляет 2, 10 и 20 г/л при крупности частиц реагента в диапазоне 0,1-0,16 мм. Обработку воды ведут в течение 60 минут до обеспечения рН 7,7, 7,8 и 8,0 с образованием осадка основного гидросиликата никеля. Основные параметры процесса и степень очистки воды от ионов никеля приведены в Таблице.

Пример 3. Процесс ведут в соответствии с условиями Примера 1. Отличие заключается в том, что осуществляют очистку воды с рН 6,4, содержащей 5,9 мг/л никеля в виде NiSO₄. Расход реагента в 3-х опытах данного Примера составляет 2, 10 и 20 г/л при крупности частиц реагента в диапазоне 0,1-0,16 мм. Обработку воды ведут в течение 60 минут до обеспечения рН 7,8, 7,9 и 8,0 с образованием осадка основного гидросиликата никеля. Основные параметры процесса и степень очистки воды от ионов никеля приведены в Таблице.

Пример 4. Процесс ведут в соответствии с условиями Примера 3. Отличие заключается в том, что соотношение карбонатита и активного кремнезема принимают 1:1, а обработку воды в 3-х опытах ведут до обеспечения рН 7,9, 7,9 и 8,0 с образованием осадка основного гидросиликата никеля. Основные параметры процесса и степень очистки воды от ионов никеля приведены в Таблице.

Пример 5. Процесс ведут в соответствии с условиями Примера 1. Отличие заключается в том, что осуществляют очистку воды с рН 6,7, содержащей 1,0 мг/л никеля в виде NiSO₄. Расход реагента в 3-х опытах данного Примера составляет 2, 10 и 20 г/л при крупности частиц реагента в диапазоне 0,1-0,16 мм. Обработку воды ведут в течение 60 минут до обеспечения рН 7,9, 8,0 и 8,0 с образованием осадка основного гидросиликата никеля. Основные параметры процесса и степень очистки воды от ионов никеля приведены в Таблице.

Пример 6. Процесс ведут в соответствии с условиями Примера 5. Отличие заключается в том, что соотношение карбонатита и активного кремнезема принимают равным 1:1. Основные параметры процесса и степень очистки воды от ионов никеля приведены в Таблице.

Пример 7. Процесс ведут в соответствии с условиями Примера 1. Отличие заключается в том, что осуществляют очистку воды с рН 4,9, содержащей 31,8 мг/л меди в виде CuSO₄. Воду в количестве 1 л обрабатывают смесью карбонатита (содержание карбоната кальция 75 мас.%) и активного кремнезема, взятых в соотношении 0,8:1,0. Расход реагента в 3-х опытах данного Примера составляет 5, 10 и 20 г/л при крупности частиц реагента в диапазоне 0,1-0,16 мм. Обработку воды ведут в течение 60 минут до обеспечения рН 7,5, 7,7 и 7,8 с образованием осадка основного сульфата меди. Основные параметры процесса и степень очистки воды от ионов меди приведены в Таблице.

Пример 8. Процесс ведут в соответствии с условиями Примера 1. Отличие заключается в том, что осуществляют очистку воды с рН 5,4, содержащей 32,7 мг/л цинка в виде ZnSO₄. Воду в количестве 1 л обрабатывают смесью карбонатита (содержание карбоната кальция 76 мас.%) и активного кремнезема, взятых в соотношении 0,8:1,0. Расход реагента в 2-х опытах данного Примера составляет 10 и 20 г/л при крупности частиц реагента в диапазоне 0,1-0,16 мм. Обработку воды ведут в течение 60 минут до обеспечения рН 7,2 и 7,5 с образованием осадка основного гидросиликата и гидрокарбоната цинка. Основные параметры процесса и степень очистки воды от ионов цинка приведены в Таблице.

Пример 9. Процесс ведут в соответствии с условиями Примера 1. Отличие заключается в том, что осуществляют очистку воды с рН 3,3, содержащей 27,9 мг/л железа в виде FeSO₄. Воду в количестве 1 л обрабатывают смесью карбонатита (содержание карбоната кальция 76 мас.%) и активного кремнезема, взятых в соотношении 0,8:1,0. Расход реагента в 3-х опытах данного Примера составляет 2, 10 и 20 г/л при крупности частиц реагента в диапазоне 0,1-0,16 мм. Обработку воды ведут в течение 60 минут до обеспечения рН 6,5, 6,8 и 6,8 с образованием осадка гидроксида железа. Основные параметры процесса и степень очистки воды от ионов железа приведены в Таблице.

Пример 10. Осуществляют очистку воды с рН 5,8, содержащую 29,5 мг/л никеля в виде NiSO₄. Воду в количестве 2 л фильтруют через слой реагента, представляющего собой смесь карбонатита (содержание карбоната кальция 76 мас.%) и активного кремнезема, взятых в соотношении 1:1. Активный кремнезем получают предварительно при обработке форстеритового концентрата 20%-ной серной кислотой в присутствии затравки вермикулита, взятой в количестве 5% по отношению к количеству концентрата. Обработку форстеритового концентрата ведут в течение 6 ч при температуре 65°С. Полученный активный кремнезем смешивают с карбонатитом до обеспечения вышеуказанного соотношения компонентов. Воду пропускают через слой реагента засыпанного в колонку, при коэффициенте фильтрации 0,5 м/ч. Расход реагента составляет 20 г/л при крупности частиц реагента в диапазоне 0,1-0,16 мм. Обработку воды ведут в течение 1 суток до обеспечения рН 8 с образованием осадка основного гидросиликата никеля. Основные параметры процесса и степень очистки воды от ионов никеля приведены в Таблице.

Как видно из приведенных Примеров и Таблицы, заявляемый способ позволяет проводить очистку воды открытых водоемов и стоков от ионов никеля, меди, цинка, железа при обеспечении высокой степени очистки, а также улучшает фильтрацию очищаемой воды через слой реагента. Удаляемые тяжелые металлы осаждаются преимущественно в виде основных гидросиликатов, устойчивых в гипергенных условиях, что исключает вторичное загрязнение за счет растворения осадка при изменении рН воды.

Таблица
№ опыта	Удаляемый тяжелыйметалл	Расход реагента,г/л	рН обрабатываемой воды	Степень очистки, %
исходное	конечное
Пример 1
1	Ni	2	5,8	7,6	90,24
2	Ni	10	5,8	7,7	98,64
3	Ni	20	5,8	8,0	99,50
Пример 2
1	Ni	2	5,8	7,7	90,30
2	Ni	10	5,8	7,8	98,50
3	Ni	20	5,8	8,0	99,21
Пример 3
1	Ni	2	6,4	7,8	87,59
2	Ni	10	6.4	7,9	97,97
3	Ni	20	6,4	8,0	99,30
Пример 4
1	Ni	2	6,4	7,9	87,30
2	Ni	10	6,4	7,9	97,80
3	Ni	20	6,4	8,0	99,00
Пример 5
1	Ni	2	6,7	7,9	85,05
2	Ni	10	6,7	8,0	95,02
3	Ni	20	6,7	8,0	99,00
Пример 6
1	Ni	2	6,7	7,9	84,90
2	Ni	10	6,7	8,0	94,88
3	Ni	20	6,7	8,0	98,92

Пример 7
1	Cu	5	4,9	7,5	91,22
2	Cu	10	4,9	7,7	99,06
3	Cu	20	4,9	7,8	99,74
Пример 8
1	Zn	10	5,4	7,2	83,24
2	Zn	20	5,4	7,5	93,33
Пример 9
1	Fe	2	3,3	6,5	86,11
2	Fe	10	3,3	6,8	91,87
3	Fe	20	3,3	6,8	94,86
Пример 10
1	Ni	20	5,8	8,0	99,70

1. Способ очистки воды от ионов тяжелых металлов путем обработки воды реагентом, содержащим соединения кальция и кремния, с образованием осадка соединений тяжелых металлов, отличающийся тем, что в качестве реагента используют смесь карбонатита и активного кремнезема, взятых в соотношении 0,8-1:1, а обработку воды ведут до обеспечения рН 6,5-8,0 при расходе реагента 2-20 г/л.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют карбонатит с содержанием карбоната кальция не менее 75 мас.%.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве активного кремнезема используют продукт обработки форстеритового концентрата 20-30%-ной серной кислотой в присутствии затравки вермикулита при температуре 55-65°С.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку воды ведут реагентом с крупностью частиц 0,10-0,16 мм.