Спосіб очистки води від нітратів

Реферат: Винахід належить до галузі обробки води, зокрема до обробки води баромембранними методами в присутності реагенту, і може бути використаний для ефективної очистки природної води від нітратів. Задачею, на вирішення якої направлений винахід, є зменшення витрат реагенту за рахунок його повторного використання при досягненні високих коефіцієнтів затримки нітратів, що одночасно дозволить знизити навантаження на довкілля. Запропоновано 3 спосіб очистки води з концентрацією нітратів 100–200 мг/дм , технологія якого включає введення у вихідну воду полігексаметиленгуанідину та фільтрування через нанофільтраційну мембрану, процес додатково включає регенерацію отриманого концентрату шляхом розділення його компонентів методом ультрафільтрації, після чого концентрат ультрафільтрації вводять у UA 101897 C2 (12) UA 101897 C2 вихідну воду замість реагенту, причому концентрація полігексаметиленгуанідину складає 5-100 3 мг/дм . Реалізація запропонованого способу забезпечує зменшення витрат реагенту ПГМГ (протягом трьох циклів - втричі) при досягненні високих коефіцієнтів затримки нітратів (на рівні 80-82 %) і одночасному зниженні навантаження на довкілля. UA 101897 C2 5 10 15 20 25 30 Винахід належить до галузі обробки води, зокрема до обробки води баромембранними методами в присутності реагенту, і може бути використаний для ефективної очистки природної води від нітратів. Відомий спосіб видалення нітратів з питних вод за допомогою нанофільтрації [F. Garcia, D. Ciceron, A. Saboni, S. Alexandrova. Nitrate ions elimination from drinking water by nanofiltration: Membrane choice. Separation and Purification Technology. 2006. 52, pp. 196-200] [1]. Спосіб [1] 3 реалізується фільтруванням водних розчинів з концентрацією нітратів 20-300 мг/дм із значенням рН=5 з використанням нанофільтраційної поліамідної мембрани ОПМН-П виробництва фірми „Владипор", Росія. Процес проводять у прямоточному режимі з розміром 2 ефективної поверхні мембрани 86 см при прикладеному тиску від 1,0 до 2,5 МПа та при температурі 20 °C. Концентрацію нітратів визначають за допомогою капілярного іонного 3 аналізатора. В інтервалі концентрацій, наприклад, 100-200 мг/дм , досягається коефіцієнт затримки нітратів на рівні 55-47 %. Таким чином, основним недоліком відомого способу [1] є недостатньо високий показник процесу очистки води від нітратів - коефіцієнт затримки нітратів, особливо при збільшенні їх кількості у вихідній воді. Найбільш близьким аналогом до винаходу за технічною суттю і результатом, що досягається, є спосіб очистки води від нітратів [Заявка № а201005486, МПК C02F1/44 (2006.01), C02F5/08 (2006.01), C02F1/52 (2006.01). Рішення про видачу патенту від 22.09.2011] [2]. Спосіб [2] реалізується наступним чином. Для очистки нітратовмісної води проводять фільтрування у прямоточному режимі через нанофільтраційну мембрану ОПМН-П виробництва фірми „Владипор", Росія, з використанням 2 комірки з робочою поверхнею мембрани 28,3 см при тиску 1 МПа. Тиск створюють шляхом 3 подачі стисненого азоту. Готують модельні розчини з концентрацією нітратів 100-200 мг/дм , для цього використовують сіль нітрату калію KNO3 [http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0 %95252] [3]. В одержаний модельний розчин вводять розчин полігексаметиленгуанідину (ПГМГ) в кількості, що 3 забезпечує концентрацію ПГМГ 5-100 мг/дм , створюють рН середовища 4,0-9,0. Застосовують хлорид ПГМГ виробництва заводу хімреактивів, м. Шостка [http://www.shzhr.com.ua/katalog_produkcii/medical/] [4]. Одержаний розчин фільтрують через мембрану і відбирають проби пермеату (очищеної води). Концентрацію нітратів визначають стандартним методом з саліциловокислим натрієм [ГОСТ 18826-73. Вода питьевая. Методы определения содержания нитратов.] [5]. Коефіцієнт затримки нітратів R визначають за формулою: R=(1 - Cпepмеату/Cвиx.) * 100 %, (І) 35 40 45 50 55 3 де Спермеату - концентрація нітратів в пермеаті, мг/дм , 3 Свих. - концентрація нітратів у вихідній воді, мг/дм . 3 Було встановлено, що для очистки води з концентрацією нітратів 100-200 мг/дм при 3 використанні ПГМГ у концентраціях 5-100 мг/дм та при величині рН середовища 4,0-9,0 створюються умови для ефективного видалення нітратів, що характеризується високим коефіцієнтом затримки: на рівні 70-85 %. В процесі очистки води від нітратів способом [2] на стадії нанофільтрації отримують концентрат, який поряд з нітратами містить значну кількість корисної речовини - ПГМГ. Однак в способі [2] не передбачається переробку даного концентрату, а його скидання призведе до забруднення довкілля. Основним недоліком відомого способу [2] є підвищені витрати реагенту ПГМГ за рахунок постійного введення в систему очистки його розчину та негативне навантаження на довкілля. Задачею, на вирішення якої направлений винахід, є зменшення витрат реагенту за рахунок його повторного використання при досягненні високих коефіцієнтів затримки нітратів, що одночасно дозволить знизити навантаження на довкілля. Поставлена задача вирішується способом очистки води від нітратів, що включає фільтрування води через нанофільтраційну мембрану у присутності реагенту ПГМГ, в якому, згідно з винаходом, концентрат (НФ) після нанофільтрації відводиться на обробку ультрафільтрацією і одержаний концентрат (УФ) використовують як реагент на стадії нанофільтрації. Нами вперше запропонований замкнений цикл для застосування реагенту ПГМГ при очистці води від нітратів нанофільтрацією. Введенням стадії ультрафільтрації забезпечуються умови для створення циклу з повторного використання реагенту, який сприяє ефективному видаленню нітратів. Як ми вважаємо, затримка нітрат-іонів на стадії нанофільтрації відбувається в 1 UA 101897 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 результаті електростатичної взаємодії нітрат-іонів з молекулами ПГМГ, сорбованими на поверхні мембрани за рахунок гідрофобної взаємодії і водневого зв'язку; розділення нітрат-іонів і ПГМГ на стадії ультрафільтрації відбувається за рахунок стеричного фактора. Запропонований 3 спосіб дозволяє очищувати води до рівня ГДК, яка складає для нітратів 50 мг/дм [ДсанПіН 2.2.4-400-10 "Гігієнічні вимоги до води питної, призначеної для споживання людиною". Затверджено Наказом Міністерства охорони здоров'я України 12.05.2010 № 400] [6], і навіть нижче, і в той же час вирішує проблему повторного використання реагенту, сконцентрованого на стадії нанофільтрації. Таким чином, сукупність суттєвих ознак способу очистки води від нітратів, що заявляється, є необхідною та достатньою для досягнення забезпечуваного винаходом технічного результату зменшення витрат реагенту за рахунок його повторного використання при забезпеченні коефіцієнтів затримки нітратів на рівні 70-85 % при досить високій концентрації нітратів в 3 очищуваній воді (100-200 мг/дм ), що одночасно дозволить знизити навантаження на довкілля. Спосіб реалізується таким чином. Для процесу очистки нітратовмісної води на стадії нанофільтрації використовують нанофільтраційну мембрану ОПМН-П. Мембрана ОПМН-П - це полімерна поліамідна мембрана виробництва фірми „Владипор", Росія. Готують модельні розчини з концентрацією нітратів 1003 200 мг/дм , для цього використовують сіль нітрату калію KNO 3 [3]. В одержаний модельний розчин вводять розчин полігексаметиленгуанідину (ПГМГ) в кількості, що забезпечує 3 концентрацію ПГМГ 5-100 мг/дм , створюють рН середовища 4,0-9,0. Застосовують хлорид ПГМГ виробництва заводу хімреактивів, м. Шостка [4]. Фільтрування проводять у прямоточному 2 режимі з використанням комірки з робочою поверхнею мембрани 28,3 см при тиску 1-1,1 МПа. Тиск створюють шляхом подачі стисненого азоту. При прямоточному фільтруванні відбувається продавлення очищуваної води у комірці через мембрану зверху вниз. Після цього отриманий концентрат (НФ) для розділення нітрат-іонів і реагенту подають на стадію ультрафільтрації, де використовують ультрафільтраційну мембрану УПМ-20. Мембрана УПМ-20 - це ультрафільтраційна полісульфонамідна мембрана виробництва фірми „Владипор", Росія. Фільтрування проводять у прямоточному режимі з використанням комірки з робочою поверхнею мембрани 28,3 см при тиску 0,2-0,3 МПа. Тиск створюють шляхом подачі стисненого азоту. Отриманий після ультрафільтрації концентрат (УФ) використовують як реагент при очистці нанофільтрацією наступної порції води. Після стадії нанофільтрації відбирають проби пермеату (очищеної води). Концентрацію нітратів визначають стандартним методом з саліциловокислим натрієм [5]. Коефіцієнт затримки нітратів R визначають за формулою (І). Концентрацію ПГМГ визначають фотометричним методом, який базується на утворенні асоціатів з бромпірагалоловим червоним і Мо (VI) при рН 0,5-1. [В.В. Гончарук, А.В. Терлецкая, О.С. Иевлева, Т.А. Богословская, Н.Ф. Кущевская. Новый фотометрический метод определения остаточных концентраций полигексаметиленгуанидина в питьевых и природных водах. Химия и технология воды, том 28, 2006. - № 6, C. 558-570.] [7]. Приклад виконання за винаходом. 3 3 Робочі розчини нітратів з концентрацією 10 г/дм і ПГМГ з концентрацією 1 г/дм готують за наважкою нітрату калію KNO3 і хлориду ПГМГ, відповідно. Для приготування модельного розчину в мірну колбу об'ємом 500 см вводять 5,0 см робочого розчину нітрату калію і 10,0 см робочого розчину ПГМГ, доводять до риски дистильованою водою. При цьому концентрації 3 нітратів і ПГМГ складають 100 і 20 мг/дм , відповідно, показник рН дорівнює 5,5. Фільтрування проводять у прямоточному режимі через комірку з робочою площею нанофільтраційної 2 поліамідної мембрани ОПМН-П 28,3 см . Тиск, який створюють шляхом подачі стисненого азоту, при цьому становить 1 МПа. 3 Концентрація нітратів в пермеаті складає 18 мг/дм . При цьому коефіцієнт затримки нітратів згідно з формулою (І) дорівнює: R = (1 - 18/100) * 100 % = 82 %. 3 Концентрація ПГМГ в очищеній воді є меншою 0,01 мг/дм . 3 3 В отриманому концентраті (НФ) об'ємом 100 см вміст нітратів становить 370 мг/дм , 3 концентрація ПГМГ складає 80 мг/дм . Цей розчин у прямоточному режимі фільтрують під тиском 0,3 МПа через ультрафільтраційну полісульфонамідну мембрану УПМ-20. Отриманий після ультрафільтрації концентрат (УФ) змішують з модельним розчином, який містить нітрати у 3 концентрації 100 мг/дм , і повторюють цикл. 3 Для приготування модельного розчину для другого циклу в мірну колбу об'ємом 500 см 3 вводять 5,0 см робочого розчину нітрату калію і доводять до риски дистильованою водою, що 3 3 відповідає концентрації нітрат-іонів 100 мг/дм . Потім 480 см приготовленого розчину 2 UA 101897 C2 3 5 10 15 20 помішують в комірку з нанофільтраційною мембраною, туди ж додають 20 см отриманого концентрату (УФ) і повторюють процес нанофільтрації. Коефіцієнт затримки нітратів у другому циклі згідно з формулою (І) складає 80 %, концентрація ПГМГ в очищеній воді є меншою 3 0,01 мг/дм . Отриманий концентрат (НФ) направляють на ультрафільтрацію, де відбувається розділення нітрат-іонів і реагенту ПГМГ, який залишається у концентраті (УФ). Для здійснення третього циклу готують модельний розчин і піддають його обробці, як описано вище. Коефіцієнт затримки нітратів на стадії нанофільтрації згідно з формулою (І) 3 складає 81 %, концентрація ПГМГ в очищеній воді є меншою 0,01 мг/дм . З отриманих даних випливає, що при очистці вихідної води постійного складу (з однаковою концентрацією нітратів), використовуючи як реагент концентрат (УФ) попередньої стадії, можна провести три цикли при забезпеченні високого ступеню видалення нітратів, що характеризується коефіцієнтом затримки на рівні 80-82 %. Суттєвим моментом є те, що висока ефективність очистки досягається за рахунок використання концентрату (УФ), що містить ПГМГ, сконцентрований на стадії нанофільтрації. При цьому слід відмітити наступне: в першому циклі було витрачено 10 мг ПГМГ (в перерахунку на чистий реагент), а в другому і третьому циклах використовували концентрат (УФ) замість введення 20 мг ПГМГ (10 мг для кожного циклу). Таким чином, при проведенні трьох циклів витрати реагенту зменшуються втричі. Реалізація запропонованого способу очистки від нітратів у порівнянні з відомим способом [2] забезпечує: суттєве зменшення витрат реагенту ПГМГ (при проведенні трьох циклів - втричі) при одночасному досягненні високого ступеня затримки нітратів, що характеризується коефіцієнтом затримки на рівні 80-82 %; зниження навантаження на довкілля за рахунок зменшення скидання реагенту ПГМГ у навколишнє середовище. 25 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 3 30 1. Спосіб очистки води з концентрацією нітратів 100-200 мг/дм , технологія якого включає введення у вихідну воду полігексаметиленгуанідину та фільтрування через нанофільтраційну мембрану, який відрізняється тим, що процес додатково включає регенерацію отриманого концентрату шляхом розділення його компонентів методом ультрафільтрації, після чого концентрат ультрафільтрації вводять у вихідну воду замість реагенту. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що концентрація полігексаметиленгуанідину складає 3 5-100 мг/дм . 35 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3