Спосіб очищення води від заліза і марганцю

1. Спосіб очищення води від заліза і марганцю, що включає обробку води окислювачем і філь 3 Відомий спосіб очищення природної води від заліза і марганцю [патент РФ №2038329, МПК6 С02F1/64; В01D24/22, опубл. 27.06.1995г.], (2). Спосіб полягає в обробці підземних вод, які містять, залізо і марганець (у концентраціях 8,010,0мг/дм3 і 0,15мг/дм3, відповідно) окислювачем, в якості окислювача застосовують повітря шляхом барботажу з подальшим фільтруванням через двошарове завантаження, що складається з полімерного матеріалу (наприклад, великопористого поролону) і кварцевого піску. Спосіб дозволяє очищати від заліза і марганцю до значень їх концентрацій в очищеній воді на рівні ГДК (заліза до 3 3 0,3мг/дм , марганцю до 0,1мг/дм ) [Державні санітарні правила і норми. Вода питна. Гігієнічні вимоги до якості води централізованого господарчопитного водопостачання. Затверджено наказом МОЗ Україні від 23 червня 1996р., №383, с.219], (3). Згідно з результатами, представленими в способі (2), використання даного способу доцільне лише при низьких концентраціях марганцю (не більше 0,15мг/дм3). При підвищеному вмісті марганцю у воді, наприклад, до 2,0-3,0мг/дм3, спосіб не дозволяє очищати воду від марганцю до необхідних значень ГДК. Найбільш близьким аналогом до винаходу за технічною суттю і результатом, що досягається, є спосіб очищення води від заліза і марганцю [патент України №42097, МПК С02F1/64; 1/78, опубл. 28.02.2001г.,], (4). Суть способу (4) полягає в наступному. Очищенню піддають воду природних джерел при вихідних концентраціях заліза 8,0-10,0мг/дм3 і марганцю в межах 2,0-3,0мг/дм3. Вихідну воду обробляють окислювачем, в якості окислювача використовують озон у вигляді озоноповітряної суміші (ОПС) з концентрацією озону 5,0мг/дм3. Оброблену озоном воду направляють на багатошаровий фільтр, що складається з трьох шарів. Як перший шар завантаження фільтру використовують метаформу каолініту, другий шар представлений марганецьвмісною речовиною, а третій шар складається з подрібненого природного клиноптилоліту. Для досягнення показників концентрації заліза і марганцю на рівні значень ГДК у фільтраті воду неодноразово піддають процесу озонування і фільтрації. Кратність циркуляції при цьому залежить від концентрації забрудників і може складати від двох до п'яти повторів і більше. Витрата обро3 бленої води складає при цьому 30,0дм /час, а озо3 ноповітряної суміші - 60,0дм /час, тобто при кратності фільтрації, наприклад, три, потрібно три години для очищення 30,0дм3 води від заліза і марганцю. Нами була досліджена можливість використання даного способу очищення природних вод від 3 заліза (концентрація 10,0мг/дм ) і марганцю (кон3 центрація 3,0мг/дм ). Очищення здійснювали на багатошаровому фільтрі заввишки 25,0см, розташованого в циліндричному корпусі діаметром 20,0см і висотою 50,0см. На очищення подавали 3 воду - 30,0дм /час і озоноповітряну суміш 3 60,0дм /час. При однократній циркуляції обробле 89706 4 на вода мала наступні показники: залізо 3 3 2,5мг/дм , марганець - 1,2мг/дм . Після трикратної циркуляції води на фільтрі концентрація заліза зменшилася до значень 0,083мг/дм3, а марганцю до значень 0,095мг/дм3. Таким чином для очищення 30,0дм3 води від заліза і марганцю до значень ГДК потрібна трикратна циркуляція води через фільтр протягом трьох годин. Як випливає з представлених даних основними недоліками відомого способу (4) очищення води від заліза і марганцю є тривалість процесу очищення за рахунок необхідності багатократної циркуляції води через багатошаровий фільтр, що ускладнюється присутністю глинистого шару (каолініт), для якого характерна мала фільтрівна здатність, а також підвищені енергетичні витрати, які зумовлені використанням енергоємного устаткування (перекачуючі насоси, компресори, відстійники-освітлювачі). В основу винаходу поставлено завдання удосконалити спосіб очищення води від заліза і марганцю, в якому використання іншої природи окислювача та застосування фізико-хімічного принципу дії, що заявляється, на водне середовище, забезпечило б досягнення необхідного технічного результату - скорочення часу очищення води і зниження енергетичних витрат при досягненні високих показників очищення води. Для вирішення поставленого завдання запропонований спосіб очищення води від заліза і марганцю, що включає обробку води окислювачем і фільтрування через пошарове зернисте завантаження, в якому, згідно з винаходом, воду послідовно обробляють окислювачем і УЗ-дією. Як окислювач використовують перекис водню в кількості 2,0-5,0мг/дм3, УЗ-обробку здійснюють з частотою 20-24,0кГц і потужністю 4,0-6,0Вт/см2 протягом 1,03,0хв і оброблену воду фільтрують через пошарове завантаження, де як перший шар, по ходу оброблюваної води, використовують піролюзит, а як другий шар - природний клиноптилоліт при об'ємному співвідношенні шарів 1:(1-3) відповідно; причому як завантаження використовують фільтрівний матеріал з розміром часток 0,8-2,0мм, а обробку перекисом водню ведуть при перемішуванні протягом 3,0-5,0хв. Відмітними ознаками способу очищення води, що заявляється, є використання УЗ-дії на заздалегідь оброблену перекисом водню воду і фільтрація через двошарове завантаження, що складається з піролюзиту і природного клиноптилоліту. Нами встановлено, що при комплексній обробці води, яка полягає в послідовній обробці перекисом водню і УЗ-дією при параметрах процесу, що заявляються, відбувається ініціювання реакції окислення іонів заліза і марганцю перекисом водню при УЗ-дії з утворенням активних оксигідратів металу, що забезпечують інтенсифікацію коагуляційних явищ і видалення забруднень з водного об'єму при однократній фільтрації. Така комплексна дія вищезгаданих чинників забезпечує скорочення часу очищення води, зниження енергетичних витрат при досягненні високих показників 5 очищення води від заліза і марганцю (на рівні і нижче значень ГДК). Спосіб реалізується наступним чином Очищенню піддають зразки води природних джерел при вихідних концентраціях іонів заліза 8,0-10,0мг/дм3 і марганцю в межах 2,0-3,0мг/дм3. У реактор-змішувач подавали певну кількість вихідної води і обробляли перекисом водню в кількості 3 2,0-5,0мг/дм при перемішуванні протягом 3,05,0хв. Підготовлену таким чином воду піддавали УЗ-дії протягом 1,0-3,0хв з частотою 20-24,0кГц і 2 потужністю в межах 4,0-6,0Вт/см на приладі УЗДН-1. Після закінчення часу УЗ-дії систему охолоджували до температури 20,0-22,0°С і очищали воду шляхом фільтрації через двошаровий фільтр заввишки 30,0см, розташований в циліндричному корпусі діаметром 20,0см і висотою 50,0см. Як фільтрі вне завантаження використовували подрібнений піролюзит і природний клиноптилоліт з розміром часток в межах 0,8-2,0мм при співвідношенні шарів 1:(1-3) відповідно. Час фільтрування складав 35-50,0хв. Концентрацію заліза і марганцю у вихідній воді і фільтраті визначали за калібрувальним графіком в координатах оптична густина - вміст іонів металу (міліграм) [Ю.В. Новиков, К.О. Ласточкина, З.И. Болдина Методы исследования качества воды водоемов, Μ., «Медицина», 1990г., с.175-176; С.190-191], (5). Приклад виконання за винаходом Очищенню піддавали зразок модельної водопровідної води з вихідними концентраціями іонів заліза - 9,0мг/дм3 і іонів марганцю - 2,5мг/дм3 У реактор-змішувач подавали 30,0дм3 води і обробляли перекисом водню в кількості 3,5мг/дм3 при перемішуванні протягом 4,0хв. Підготовлену таким чином воду піддавали УЗ-обробці протягом 2,0хв з частотою 22,0кГц і потужністю 5,0Вт/см2 на приладі УЗДН-1. Потім оброблену воду охолоджували до температури 22,0°С і направляли на двошаровий фільтр заввишки 30,0см, розташований в циліндричному корпусі діаметром 20,0см і висотою 50,0см. Як фільтрівне завантаження використовували подрібнений піролюзит і природний клиноптилоліт з розміром часток 0,8-2,0мм. Перший шар по ходу оброблюваної води був піролюзит заввишки 10,0см, а другий шар представлений природним клиноптилолітом висотою 20,0см, тобто об'ємне співвідношення шарів складало 1:2, відповідно. Час фільтрування складав 45,0хв. В одержаному фільтраті залишковий вміст іонів заліза і марганцю складав відповідно 3 3 3 0,08мг/дм (ГДК - 0,3мг/дм ) і 0,05мг/дм (ГДК 3 0,1мг/дм ), (табл., пр.2). Аналогічно прикладу виконання за винаходом були проведені досліди з очищення води від заліза і марганцю шляхом послідовної обробки води перекисом водню і УЗ-дією з подальшою фільтрацією обробленої води через пошарове завантаження при параметрах, як в діапазоні, що заявляється, так і при позамежних значеннях. Дані представлені в таблиці (табл., пр.1-21). Проведення процесу очищення води при параметрах всіх етапів обробки води, що заявляються, (перекис водню, УЗ-дія, фільтрація) забезпечує глибоке очищення води від іонів заліза і марганцю 89706 6 на рівні значень ГДК і нижче при значному скороченні часу, що становить 35-50,0хв (табл., пр.113). Позамежне зменшення концентрації перекису водню у воді, що обробляється, наприклад, до 1,0мг/дм3 при часі, перемішуванні і параметрах УЗдії, що заявляються, призводить до погіршення показників очищення води від іонів заліза і марганцю внаслідок їх неповного окислення. Концентрація заліза і марганцю при цьому зростає у фільтраті до 0,38мг/дм3 і 0,17мг/дм3, відповідно (табл., пр.14). Позамежне збільшення концентрації перекису водню у воді, що очищається, наприклад, до 3 6,0мг/дм , при збереженні решти параметрів дії на водне середовище, не впливає істотно на процес очищення (табл., пр.15), але сприяє зниженню рН води, а також недоцільній перевитраті даної речовини. В разі зміни оптимального часу перемішування при обробці води перекисом водню убік нижче межі, що заявляється, наприклад 1,0хв, виникають труднощі в одержанні однорідної водної системи, що зумовлює зниження рівня протікання хімічних реакцій окислення заліза і марганцю і погіршення якості очищення води (табл., пр.16). Збільшення часу перемішування, більше 5,0хв, не впливає істотно на процес очищення води при окисленні перекисом водню водорозчинних сполук заліза і марганцю, тому такий режим обробки можна вважати економічно недоцільним (табл., пр.17). Зміна оптимального режиму УЗ-дії (потужності, часу обробки, частоти) на воду, оброблену перекисом водню, у бік його зменшення, наприклад, часу до 0,5хв, потужності до 3,0Вт/см2, частоти до 18,0кГц зумовлює уповільнення процесу окислювально-відновних реакцій, що призводить до зниження показників очищення води (табл., пр.18). Збільшення параметрів часу, потужності і частоти УЗ-дії величин, вище заявляємих меж, наприклад, 2 часу до 3,5хв, потужності до 7,0Вт/см , частоти до 26,0кГц призводить до диспергування осаду, що утворився, його часткової пептизації, що тим самим викликає додаткове забруднення фільтрату дрібнодисперсним коагулянтом, і як наслідок, сприяє також погіршенню показників очищення (табл., пр.19). Експериментально встановлено, що співвідношення шарів піролюзиту і клиноптилоліту 1:(13), що заявляється забезпечує, при збереженні решти параметрів очищення і загальної висоти шару, що фільтрує, досить швидку фільтрацію і глибоке очищення води. При співвідношенні шарів піролюзиту і клиноптилоліту нижче величини, що заявляється, наприклад, 2:1, спостерігається зменшення відсотка затримки сорбуємих сполук заліза і марганцю (проскок коагулюма), що знижує ефективність очищення води (табл., пр.20). Зміна співвідношення фільтрі вних шарів піролюзиту і клиноптилоліту у бік його збільшення, наприклад, 1:4, викликає зниження рівня каталітичного доокисления заліза, особливо марганцю, що в результаті помітно погіршує показники очищення води (табл., пр.21). 7 89706 Переваги запропонованого способу очищення води від заліза і марганцю в порівнянні з відомим способом (4) полягають в істотному скороченні часу очищення води з 180,0хв до (35-50,0)хв тобто в 3,6-5,1 разів і зниженні енерговитрат за рахунок виключення з технологічного процесу енергоємного устаткування при досягненні високих показників процесу очищення. 8 Достоїнством запропонованого способу очищення води від заліза і марганцю є використання екологічно безпечних методів обробки водних систем (УЗ-обробка), а також використання недефіцитних природних мінералів, які запобігають забрудненню довкілля в технологічній практиці обробки води. Таблиця Режим обробки води Обробка Η2О2 № пп. 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22х 23хх УЗ-обробка Співвідношення піролюзит: Показники очистки води Концентрація Час фільтіонів рації, Час Концентрація Час перемішу- Частота, УЗ- Потужність, заліза, марганцю, клиноптилоліт Η2Ο2, мг/дм3 вання, хв. кГц дії, Вт/см2 мг/дм3 мг/дм3 хв. 2 3 4 5 6 7 8 9 За винаходом 2,0 3,0 20,0 1,0 4,0 1:1 0,09 0,06 3,5 4,0 22,0 2,0 5,0 1:2 0,08 0,05 5,0 5,0 24,0 3,0 6,0 1:3 0,07 0,04 3,5 3,0 22,0 2,0 5,0 1:2 0,09 0,05 3,5 5,0 22,0 2,0 5,0 1:2 0,08 0,05 3,5 4,0 20,0 2,0 5,0 1:2 0,08 0,05 3,5 4,0 24,0 2,0 5,0 1:2 0,08 0,05 3,5 4,0 22,0 1,0 5,0 1:2 0,09 0,05 3,5 4,0 22,0 3,0 5,0 1:2 0,08 0,04 3,5 4,0 22,0 2,0 4,0 1:2 0,09 0,05 3,5 4,0 22,0 2,0 6,0 1:2 0,08 0,05 3,5 4,0 22,0 2,0 5,0 1:1 0,09 0,06 3,5 4,0 22,0 2,0 5,0 1:3 0,08 0,06 Позамежні значення 1,0 4,0 22,0 2,0 5,0 1:2 0,38 0,17 6,0 4,0 22,0 2,0 5,0 1:2 0,09 0,06 3,5 1,0 22,0 2,0 5,0 5,0 0,36 0,15 3,5 6,0 22,0 2,0 5,0 1:2 0,08 0,06 3,5 4,0 18,0 0,5 3,0 1:2 0,45 0,23 3,5 4,0 26,0 3,5 7,0 1:2 0,50 0,30 3,5 4,0 22,0 2,0 5,0 2:1 0,25 0,12 3,5 4,0 22,0 2,0 5,0 1:4 0,38 0,15 За способом (4) 2,5 1,2 0,08 0,09 хв. 10 35,0 42,0 50,0 45,0 40,0 43,0 47,0 37,0 41,0 41,0 45,0 43,0 35,0 37,0 44,0 43,0 48,0 47,0 44,0 43,0 48,0 60,0 180,0 Примітка: х - однократна циркуляція хх - трьохкратна циркуляція Комп’ютерна верстка А. Рябко Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601