Спосіб очистки стічних вод від іонів металів

Винахід відноситься до галузі обробки води промислових та побутови х стічних вод, зокрема, до мікрофільтрації за допомогою керамічних трубчастих мембран і може бути використаний при очистці стічних вод від полізарядних іонів металів. Відомий спосіб мембранної очистки води від іонів Со 2+ (А.П.Криворучко, Й.Д.Атаманенко, Л.Ю.Козьмина, В.П.Бадеха //Химия и технология воды. - 2000. - 22, №6. - С.633-643) [1]. Спосіб полягає в застосуванні мікрофільтрації для очистки води, забрудненої іонами Со 2+ за допомогою керамічної мембрани (основи), модифікованої добавками з подальшим утворенням на її поверхні динамічної мембрани. Керамічна мембрана має наступні параметри: внутрішній діаметр - 5мм, середній гідравлічний діаметр пор 4,6мкм, загальна пористість - 37%. Мембрана виготовлена з електрокорунду у ви гляді трубки. Як модифікуючу добавку використовували, наприклад, дисперсію катіоніту КУ-23. Крізь керамічну мембрану продавлювали дисперсію катіоніту КУ-23 об'ємом 5дм 3. Через одержану таким чином модифіковану мембрану фільтрували розчин CoSO4, що містить 25мг/дм 3 Со2+ з лінійною швидкістю потоку над мембраною 0,6см/с під тиском (Р) 0,12мПа. Тривалість процесу очистки складала 4-6г до досягнення квазістаціонарної рівноваги. Ступінь очистки води від іонів Со2+ досягав всього лише 36%. Таким чином, недоліком відомого способу [1] є низький ступінь очистки води від іонів металу на прикладі Со 2+. Найбільш близьким аналогом до винаходу за технічною суттю та результатом, що досягається є спосіб очистки водних розчинів від катіонів металів за допомогою керамічних мікрофільтрів за рахунок динамічних мембран, що самоутворюються, описаний в (Каграманов Г.Г., Кочаров А.Г., Дубровин А.А. //Химическая технология. - 2000, - №1 - С.42-46) [2]. Для процесу очистки використовували керамічний мікрофільтр, виготовлений із корунду з додаванням діоксиду кремнію. Одноканальний керамічний мікрофільтр має форму трубки з наступними параметрами: діаметр каналу тр убки 4 10-3м, довжина 0,42м, розмір пор селективного (розділового) шару (0,2-0,4) 10-6м (0,2-0,4мкм), розмір пор основи (підтримуючий шар) (4-6) 10-6м (4-6мкм), пористість селективного шару -50-55%, пористість основи - 35-40%, тиск - 1,5 105Па. Фільтрування проводилося на розчинах наступних солей: CuCl, FеСl3, Nі(NO3)2, MnSO4 , Zn(СН3СОО)2, MgSO 4, CaSO4 з концентрацією усіх катіонів (крім Mg2+ і Са2+) -1 10-3кг/м 3, для Mg2+ та Са2+-4 10-3кг екв/м 3. Процес фільтрування вели протягом 24 годин при значенні рН2,4-8,5, в продовж якого проходило утворення динамічної мембрани, що самоутворюється, за рахунок присутніх у воді мікрочастинок. Це і обумовило процес очистки водних розчинів від іонів металів. Для визначення ефективності відомого способу [2] нами були проведені досліди по очистці водних розчинів, що містять іони АІ3+ і Сu2+ Ступінь очистки (коефіцієнт затримки) по АІ3+i і Сu2+ становили, відповідно, 62,9 і 94%. Ступінь очистки характеризували коефіцієнтом затримання розчиненої речовини, описаного в (Брык М.Т., Цапюк Е.А. Ультрафильтрация. - Киев: Наук. Думка, 1989. - 228с.) [3], що визначається як R=(1-C/C o)100% де: R- коефіцієнт затримання, %; С і Со- концентрація розчиненої речовини в вихідному розчині та у фільтраті, мг/дм 3, відповідно. Таким чином, основним недоліком відомого способу [2] є недостатньо високий ступінь очистки води від іонів металів, наприклад, по Аl3+ - 62,9% і Cu2+-94%. В основу винаходу поставлене завдання удосконалити спосіб очистки стічних вод від іонів металів шляхом фільтрації за допомогою керамічного мікрофільтру зі сформованою динамічною мембраною з використанням частинок глинистого мінералу, що забезпечило б підвищення ступеню очистки від іонів металів. Для вирішення поставленого завдання запропонований спосіб очистки стічних вод від іонів металів, переважно іонів алюмінію і міді, що включає фільтрування через динамічну мембрану, що самоутворюється, сформовану на керамічному мікрофільтрі, в якому, згідно з винаходом, в стічну воду, що очищується, попередньо додають палигорскіт або монтморилоніт в кількості 2-4г/дм 3. Введення у вихідний розчин глинистих мінералів забезпечує формування динамічної мембрани шляхом спільного висаджування частинок глини та гідроксосполук металів. Динамічна мембрана, що утворюється, як визначив заявник, характеризується меншим розміром пор в порівнянні з керамічним мікрофільтром, що дозволяє підвищити коефіцієнт затримання гідроксосполук іонів алюмінію і міді, а таким чином, і підвищити ступінь очистки води до рівня 99,3% (по Сu2+) і 98,4% (по Аl3+). Спосіб реалізується наступним чином. Досліди проводили на мікрофільтраційній установці в проточнорециркуляційному режимі при робочому тиску 1,0мПа. В роботі використовували пористі керамічні мікрофільтри у вигляді трубки, виготовлені на основі оксиду алюмінію (Al2О3) Хустським керамічним заводом (Україна). Мікрофільтр має наступні параметри: довжина - 120мм, зовнішній та внутрішній діаметри відповідно 12 і 6мм. Мікрофільтр складається із селективного (розділового) та підтримуючого (основи) шарів, які мають, відповідно, наступні параметри: відкриту пористість - 42,5 и 44,6%, питому поверхню - 1,75 і 0,172м 2/г і середній діаметр пор 0,6-0,72 і 5,3-5,5мкм. Розділовий шар, на відміну від підтримуючого, має більш тонкопористу стр уктуру. Стр уктурні характеристики визначені за допомогою методів електронної мікроскопії та ртутної порометрії. В якості модельних використовували розчини хлориду алюмінію (ГОСТ3759-75) та хлориду міді (ГОСТ416774) з концентрацією 45-50мг/дм 3 по Аl3+ і Сu2+ Вибір концентрації іонів обумовлений складом, наближеним за вмістом іонів цих металів в промислових стічних водах (зокрема, в промивних водах гальванічних виробництв). Перед подачею на мікрофільтраційну установку в модельний розчин вводили при перемішуванні 2-4г/дм 3 заздалегідь подрібненого глинистого мінералу - монтморилоніту або палигорскіту черкаського родовища. В отриманій суспензії утворювали рН середовища розчинів хлориду алюмінію і міді в інтервалі значень, при яких іони АІ3+ і Cu2+ знаходяться у вигляді гідроксокомплексів: для АІ3+-4,9-5,05 , для Сu2+ - 7,0. Значення рН вихідних розчинів змінювали додаванням кислоти НСl та лугу NaOH. Процес фільтрування вели протягом 1,5-2 годин. При вказаних значеннях рН утворюєтьтся динамічна мембрана з частинок глини на поверхні керамічного мікрофільтру, що е фективно затримує гідроксосполуки іонів алюмінію і міді. Аналіз на вміст іонів АІ3+ і Сu2+ в вихідному розчині та фільтраті проводили на атомно-абсорбційному спектрофотометрі С-115М (Брицке М-Р. Атомно-абсорбционный спектроскопический анализ.- М.: Химия, 1982. - 223)[4]. Приклади виконання за винаходом. Приклад 1. Готували модельний розчин хлориду алюмінію, який містить 45мг/дм 3 іонів АІ3+(Со). Очистку води вели в проточно-рециркуляційному режимі на мікрофільтраційній установці, що містить ємність з вихідною водою, насос та мембранний апарат з розміщенним в ньому керамічним мікрофільтром. Використовували керамічний трубчастий мікрофільтр довжиною 120мм, селективний шар і основа мають, відповідно, відкриту пористість - 42,5 і 44,6% та середній діаметр пор 0,6-0,72 і 5,3-5,5мкм. Перед подачею на мікрофільтраційну установку в ви хідний розчин хлориду алюмінію об'ємом 3 дм 3 вводили 12г (4г/дм 3) заздалегідь подрібненого монтморилоніту черкаського родовища. Процес очистки здійснювали при робочому тиску 1,0мПа і рН середовища 5,05. Значення рН досягали додаванням гідроксиду натрію в ви хідний розчин хлориду алюмінію. Процес фільтрування хлориду алюмінію вели протягом 2 годин до досягнення мінімальної питомої продуктивності, при цьому концентрація іонів алюмінію у фільтраті складала 0,7мг/дм 3 (С). Ступінь очистки, що характеризується коефіцієнтом затримання, розраховували наступним чином: R=(1-0,7/45) 100=98,4% (таблиця, приклад 7) Приклад 2. Готували модельний розчин хлориду міді, який містить 50мг/дм 3 іонів Сu2+. Перед подачею на мікрофільтраційну установку у похідний розчин хлориду міді вводили 4г/дм 3 попередньо подрібненого палигорскіту черкаського. Процес здійснювали аналогічно прикладу 1, при значенні рН середовища 7,0. Ступінь очистки за коефіцієнтом затримання розраховували наступним чином: R=(1-0,35/50) 100=99,3% (таблиця, приклад 3) Експериментально встановлено, що при заявленій кількості (2-4г/дм ) глинистого мінералу, який вводиться в воду, що очищається, досягається швидке формування динамічної мембрани на керамічному мікрофільтрі, яка характеризується високою затримуючою здатністю, що і забезпечує високий ступінь очистки води від іонів АІ 3+ і Сu2+ на рівні 84,-98,4% та 99,0-99,3% відповідно (таблиця, приклади 1-8). При позамежному зниженні кількості добавленого глинистого мінералу в воду, що очищується, наприклад 1г/дм 3, із-за недостатньої кількості глини не реалізуються умови утворення ефективної динамічної мембрани, що і призводить до різкого зниження ступеню очистки від іонів металів, наприклад, міді (таблиця, приклад 9). Верхня межа кількості добавленого глинистого мінералу обмежена тим, що надмірна кількість глини не призводить до збільшення ступеню очистки води, оскільки властивості динамічної мембрани не покращуються (таблиця, приклад 10). Перевага запропонованого способу очистки стічних вод від іонів металів, в порівнянні з відомим, полягає в наступному: реалізація заявленого способу дозволяє суттєво підвищити ступінь очистки води від іонів металів від іонів міді з 94,0% до 99,0-99,3%, тобто, на 5-5,3%, а по алюмінію - з 62,9% до 84,0-98,4%, тобто, на 21,1-35,5%. Достатньо високий ступінь очистки води від іонів металів дозволить реалізувати спосіб при застосуванні дешевої та доступної глинистої сировини в технологічних схемах очистки стічних вод, зокрема, промивних вод гальванічних виробництв. Таблиця N п/п Кількість глинистого минералу, г/дм 3 монтморилоніт 2 3 4 5 6 7 8 2,0 3,0 4,0 4,0 9 10 1,0 5,0 11 палигорскит за винаходом 2,0 3.0 4,0 4,0 позамежні за прототипом (спосіб 2) Коефіцієнт затримання R,% (Ступінь очистки) Cu2+ Al3+ 99,0 99,1 99,3 99,3 98,4 84,0 93,0 98,4 91,5 99,3 94,0 62,9