Изобретение относится к области обработки водопроводных осадков, в частности к способам получения смешанного коагулянта. В процессе очистки высокомутных природных вод, а также в практике водоподготовки широкое применение получили алюминийсодержащие коагулянты, в особенности сульфат алюминия. Примерно 70 % водоочистных сооружений для снижения мутности исходной воды используют традиционные коагулянты, такие как сульфат алюминия (квасцы) и сульфат железа. Коагулянт, вводимый в неочищенную воду, реагирует с естественной или добавленной щёлочностью воды с образованием нерастворимой основной формы коагулянта в виде осадка. Образующийся осадок содержит взвешенные вещества, такие как ил, растворённые или коллоидные органические вещества, микроскопические организмы, коллоидные гидроксиды металлов и другие примеси.
Основным способом производства сульфата алюминия является его получение из гидроксида алюминия [1]. Способ включает две основные технологические стадии: разложение гидроксида алюминия серной кислотой и кристаллизацию образовавшегося продукта. Разложение гидроксида алюминия осуществляют серной кислотой концентрацией 92–93 %, а обезвоживание и гранулирование сульфата алюминия проводят при температуре 160–190°С. Основным недостатком данного способа получения коагулянта является сложность технологического процесса, а также использование дорогостоящего сырья.
Известен способ получения коагулянта на основе сульфата алюминия из геленитового шлака [2], который подвергают выщелачиванию 35–45 %-ной серной кислотой при температуре 75–80 °С в течение 45–60 мин. Однако данный способ не обеспечивает высокой степени растворения оксидов. Известен также способ получения железоалюминийсодержащего коагулянта [3] путём растворения оксидов железа и алюминия серной кислотой из глины или золы. Выщелачивание оксидов осуществляют при температуре 100–120°С в растворе, содержащем 20–45 % серной кислоты и 8–50 г/л хлорида натрия, в течение 2–4 ч. Для удешевления процесса и снижения загрязнения окружающей среды в качестве источника хлоридов используют очищенный раствор после промывки кожевенного сырья или отработанный пиксельный раствор, являющиеся отходами кожевенного производства. Подогрев и обогащение реакционной массы ионами железа осуществляют путём пропускания через неё постоянного или переменного электрического тока с использованием стальных электродов.
Известен способ получения алюможелезного коагулянта [4], включающий взаимодействие гидроксида алюминия с серной кислотой при повышенной температуре, выдержку и кристаллизацию продукта, при этом в суспензию гидроксида алюминия вводят соединение железа при атомном отношении железа к алюминию, равном 0,10–0,20, а серную кислоту на взаимодействие подают с избытком 4–8 мас. % от стехиометрически необходимого количества.
Недостатками указанных способов являются низкий выход коагулянта (50–60 %), повышенные энергозатраты, обусловленные необходимостью нагрева реакционной массы до температуры 120 °С, а также применение концентрированной серной кислоты при высоких температурах, что требует использования коррозионностойкого и, как следствие, дорогостоящего оборудования. Кроме того, данные способы представляют экологическую опасность как для обслуживающего персонала, так и для окружающей среды.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения смешенного сульфатсодержащего коагулянта, путем реакция концентрированной серной кислоты (98 %) с оксидами или гидратированными оксидами алюминия, железа или природными бокситами (алюмосодержащее сырье, которые измельчают до размера не менее 1-2 мм, добавляют воду, быстро добавляют кислоту, температура реакции поднимается до 130°С, при этом реакция завершается в течение 10 минут, для предотвращения кристаллизации продукта дополнительно добавляют воду [5]. Недостаток прототипа - проведение реакции при температуре, достигающей 130 °С, с использованием концентрированной серной кислоты (98 %), что обуславливает повышенные энергозатраты, усложнение технологического процесса и необходимость применения дорогостоящего коррозионностойкого оборудования. Предусмотренное в способе введение воды для предотвращения кристаллизации продукта, увеличивает расход реагентов и снижает технологическую эффективность процесса.
Целью изобретения является разработка рациональной и экологически безопасной технологии получения смешанного сульфатсодержащего коагулянта со сниженным содержанием вредных примесей для очистки воды при минимальном расходе реагентов и энергоносителей.
Поставаленная достигается способом получения смешанного сульфатсодержащего коагулянта, включающий реакцию алюможелезосодержащего сырья с концентрированной серной кислотой (98 %), причем в качестве алюможелезосодержащего сырья используют осадок бассейна суточного регулирования (ил), который предварительно сушат в естественных условиях и измельчают до размера частиц не более 2 мм, после чего к измельчённому осадку добавляют воду и концентрированную серную кислоту (98 %), полученную смесь подвергают разложению в течение 3–5 минут при температуре 70–80°С, образующуюся пульпу фильтруют, при этом осветлённую жидкую фазу, содержащую сульфаты алюминия и железа, используют для очистки воды, а твёрдую фазу, содержащую кремнезём, используют в строительной отрасли.
При разложении ила концентрированной серной кислотой образуется смесь сульфатов алюминия и железа, которая может использоваться в качестве коагулянта для очистки воды.
Ил, содержащий коагулянт, разбавлен примесями шлама квасцов, которые составляют от 1 до 15 % массы. Для захоронения шлама квасцов на свалках требуется, чтобы содержание твердых веществ в нем составляло не менее 10–20 %.
Сущность данного способа заключается в разработке технологии получения смеси сульфатсодержащего коагулянта методом кислотного разложения при минимальном расходе материалов и энергоносителей. Способ позволяет утилизировать осадок, образующийся в бассейнах суточного регулирования (БСР), что способствует сохранению качества окружающей среды.
Взаимодействие гидроксида алюминия с серной кислотой при комнатной температуре протекает по следующей реакции:
2Al(OH)3 + 3H2SO4 +12H2O = Al2(SO4)3 ·18H2O (1)
Оксиды алюминия и железа, содержащиеся в составе ила водоочистных сооружений (ВО), при разложении серной кислотой при температуре 70–80°С взаимодействуют с образованием соответствующих сульфатов, при этом протекают следующие реакции:
AI2O3+3H2SO4=AI2(SO4)3+3H2O;
Fe2O3+3H2SO4= Fe 2(SO4)3+3H2O;
Химический состав водопроводного осадка, образующегося в бассейнах суточного регулирования (БСР), был определён на лабораторных установках Ташкентского химико-технологического института с использованием высокопроизводительного энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного спектрометра. Результаты анализа химического состава водопроводного осадка приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Химический состав водопроводного осадка БСР
|
Содержание компонентов % мас.
|
|
Cl
|
Br
|
Na2O
|
MgO
|
Al2O3
|
SiO2
|
SO3
|
K2O
|
CaO
|
TiO2
|
V2O5
|
Cr2O3
|
MnO
|
Fe2O3
|
Co2O3
|
NiO
|
CuO
|
ZnO
|
Ga2O3
|
As2O3
|
Rb2O
|
Y2O3
|
SrO
|
ZrO2
|
Nb2O5
|
BaO
|
HfO2
|
Ta2O5
|
Ir2O3
|
Au2O
|
PbO
|
|
0.0080
|
0.0009
|
1.50
|
2.56
|
19.9
|
57.6
|
0.175
|
3.33
|
5.81
|
0.785
|
0.0288
|
0.0146
|
0.124
|
6.49
|
0.0210
|
0.0080
|
0.0071
|
0.0282
|
0.0032
|
0.0045
|
0.0189
|
0.0050
|
0.0180
|
0.179
|
0.0022
|
0.0315
|
0.0024
|
0.0023
|
0.0009
|
0.0014
|
0.0074
|
Расход серной кислоты для сернокислотного разложения определяли на основе стехиометрических расчётов с учётом протекающих реакций между кислотой и компонентами химического состава водопроводного осадка. Процесс разложения проводили при комнатной температуре в течение 30 мин. Полученную пульпу фильтровали с целью отделения жидкой фазы от твёрдой фазы. Жидкую фазу, содержащую сульфаты алюминия и железа, исследовали на коагулирующие свойства. Результаты исследований приведены в таблице 2.
Таблица 2.
Результаты испытания полученных коагулянтов сернокислотным разложением из водопроводного осадка БСР
|
Т=25-30 0С
|
Т=70-80 0С
|
|
Исх. мутность воды: -330 мг/л
|
Исх. мутность воды: -360 мг/л
|
|
№
|
Остаточный мутность воды=мг/л
|
a- степень коагуляция, %
|
№
|
Остаточный мутность воды=мг/л
|
a- степень коагуляция, %
|
|
1
|
78,0
|
76,36
|
1
|
47,0
|
87,0
|
|
2
|
52,0
|
84,25
|
2
|
27,9
|
92,27
|
|
3
|
41,30
|
87,45
|
3
|
19,1
|
94,70
|
|
4
|
33
|
90,0
|
4
|
18,0
|
94,98
|
Как видно из данных, приведённых в таблице 2, при добавлении коагулянта, полученного при комнатной температуре, в концентрации от 1 до 4 мг/л степень коагуляции изменяется в диапазоне от 76,36 до 90,0 %. В таблице также представлены результаты сернокислотного разложения при температуре 70–80°С с использованием полученного смешанного коагулянта в концентрации от 1 до 4 мг/л, при этом степень коагуляции составляет от 87,0 до 94,98 %. Проведённые исследования показывают, что полученная смесь сульфатсодержащего коагулянта на основе водопроводного осадка может быть использована для очистки питьевой воды.
Пример осуществления способа:
В лабораторный реактор, оснащённый мешалкой, последовательно загружали 1 кг предварительно высушенного осадка и 3,0442 кг воды, после чего при перемешивании постепенно добавляли 0,352 кг 98%-ной серной кислоты. При взаимодействии серной кислоты с содержащимися в составе осадка гидроксидами алюминия и железа протекали экзотермические реакции в течение 3–5 мин, при этом температура реакционной массы повышалась до 70°С.
Дальнейшее перемешивание без дополнительного нагрева продолжали в течение 30 мин. Образующуюся пульпу фильтровали, а жидкую фазу подвергали испытаниям на коагулирующие свойства, при этом степень коагуляции достигала 90,0 %.
Дополнительно в тех же условиях изучали разложение осадка серной кислотой при поддержании температуры в пределах 70–80 °С, при котором степень коагуляции составляла 94,98 %.
Твёрдая нерастворимая фаза, содержащая преимущественно кремнезём, была использована в строительной отрасли.
Схема заявленного способа получения смешанного сульфатсодержащего коагулянта приведена на рисунке.
Таким образом, предложенный способ прост в эксплуатации, позволяет решить проблему очистки питьевой воды коагулянтами, которые заменяет импортную продукцию, а также решаются вопросы очистки осадков бассейнах суточного регулирования (БСР), тем самым предотвращает загрязнению водных объектов
