Спосіб хімічної регенерації активованого вугілля

Реферат: Винахід належить до способів хімічної регенерації сорбентів. Запропонований спосіб хімічної регенерації активованого вугілля, що полягає в обробці останнього в два етапи: на першому розчином гідроксиду натрію, а на другому - розчином хлориду натрію, при цьому використовують розчин лугу концентрації 2-4 % мас, розчин хлориду натрію концентрації 0,81 % мас, і процес проводять за температури 40-20 °C. Реалізація запропонованого способу забезпечує за низьких температур регенераційних розчинів, підвищення ступеня видалення органічних забруднень UA 105574 C2 (12) UA 105574 C2 UA 105574 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до способів хімічної регенерації сорбентів і може бути використаний для регенерації відпрацьованого активованого вугілля у процесах очистки природної води у господарсько-питному та технічному водопостачанні. Відомий спосіб регенерації вуглецевого гемосорбенту (RU 2056351 C01В 31/08, В01J 20/20, опубл. 20.03.96, Бюл. № 8) (1). Згідно з відомим способом шар вуглецевого гемосорбенту регенерують послідовним пропусканням через нього фізіологічного розчину, дезінфікуючого розчину, водного або водно-спиртового розчину гідроксиду натрію і водного розчину хлориду натрію, промиванням питною водою, пропусканням знесоленої води та активацією водяною парою. Відомий спосіб (1) є складним, передбачає багатоступеневу обробку сорбенту хімічними реагентами і водяною парою, у зв'язку з чим його використання у багатотоннажних процесах очистки води є нераціональним. Відомий спосіб регенерації відпрацьованого активованого вугілля, який використовується для очистки водно-спиртових сумішей (А.с. 264316 МПК С12G C01, С01В. Опубл. 03.03.1970, Бюл. № 9) (2). Спосіб полягає у наступному. Через колону з відпрацьованим активованим вугіллям пропускають розчин хлориду натрію, переважно 8 %-ний. У процесі промивання із сорбенту видаляються неорганічні солі та органічні речовини. Потім через колону з вугіллям пропускають насичену водяну пару, яку попередньо підлужнюють розчином їдкого натру до рН 8,2-8,8. Лужне середовище сприяє більш повному видаленню летких забруднювачів із сорбенту. Як випливає із технічної суті способу (2) при обробці сорбенту концентрованим розчином хлориду натрію виникає осмотичний шок бактерій та інших мікроорганізмів, сорбованих вугіллям, що призводить до закупорювання його адсорбційного простору біополімерними продуктами розпаду мікроорганізмів, які не видаляються при подальшій обробці водяною парою. Причому, обробка висококонцентрованим розчином хлориду натрію потребує витрат великих об'ємів води для подальшої відмивки сорбенту від солі. Таким чином, недоліками способу є недостатньо високий ступінь регенерації при мікробіологічному забрудненні активованого вугілля, а також великі енергетичні затрати та необхідність використання складного обладнання для проведення процесу пропарювання вугілля та великі витрати води для відмивання сорбенту від солі. Найбільш близьким аналогом до винаходу за технічною суттю та результатом, що досягається, є спосіб хімічної регенерації активованого вугілля розчинами лугу, який вперше було випробувано на Донецькому водопроводі (Активированный уголь в деле очистки питьевой воды. НКТП ДОНБАССВОДТРЕСТ Центральная научно-исследовательская лаборатория. ОНТИ Государственное НКТП Научно-Техническое издательство Украины Харьков-Киев, 1935. - С. 21-31. Регенерация активированного угля. Отв. ред. С.О. Марченко) (3). Згідно із способом (3), за однією із наданих схем відпрацьоване вугілля обробляють 1-3 %ним розчином лугу (гідроксиду натрію) з температурою 80 °C із наступною промивкою холодною водою. Ефективність регенерації визначають за кількістю видалених органічних речовин за показником ХСК (хімічне споживання кисню) лужної та водної витяжок. Результати наведені в таблиці 1, приклад 1, графи 2,3,4,5. За вказаних параметрів загальна кількість видалених із вугілля органічних речовин, визначених за показником ХСК лужної та водної витяжок, разом 3 становить 150,5 мг О2/дм . Як відзначають автори (3), у разі зниження температури розчину лугу нижче 80 °C, а саме до 60, 40, 20 °C, ефективність видалення органічних речовин за показником ХСК знижується, особливо за 20 °C. Дані наведено у таблиці 1, приклади 2, 3, 4, графи 2, 3, 4, 5, відповідно. Як видно із табл. 1, у разі зниження температури розчину лугу з 80 °C до 20 °C ефективність 3 видалення органічних речовин із вугілля різко падає із 150,5 до 33,3 мг О 2/дм . Нами були проведені досліди з регенерації мікробіологічно забруднених зразків активованого вугілля за способом (3) за вказаних температур розчину лугу. Регенерації підлягало активоване вугілля установки підготовки технологічної води для виробництва пива та безалкогольних напоїв, мікробіологічна забрудненість якого за показником "Загальне мікробне 3 число" було в межах 1,0-1,5×10 КУО (колонієутворюючих одиниць) на 1 г вугілля. Виявлено, що в разі обробки розчином лугу за температури 80-60 °C в активованому вугіллі, а також у лужній та водній витяжках бактерій не було. Однак, при регенерації з температурою розчину лугу 4020 °C в активованому вугіллі виявлені живі мікроорганізми, в той час, як в змивах лугу і води вони були відсутні (табл. 1, приклади 5, 6, 7, 8, графи 11, 12, 13, 14). Отримані результати пояснюється тим, що розчин лугу з високою температурою при взаємодії із продуктами метаболізму та лізису мікроорганізмів утворює біополімерні поверхнево-активні сполуки з високим коефіцієнтом змочування і розтікання по поверхні активованого вугілля, які проникають в мікропори. У результаті рівномірного просочування 1 UA 105574 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 активованого вугілля по всьому об'єму завантаження регенераційним розчином лугу з високою температурою живі клітини руйнуються. У разі використання розчину лугу з температурою, нижчою за 40 °C, утворюються більш в'язкі біополімерні сполуки і мікроплівки, у результаті в об'ємі завантаження формуються ізольовані непросочені регенераційним розчином мікроділянки-лінзи з живими мікроорганізмами, які не видаляються подальшою промивкою вугілля холодною водою. Результати проведених досліджень показують, що розчини лугу з температурою, нижчою за 40 °C не забезпечують видалення іммобілізованих на поверхні сорбенту живих мікроорганізмів та спор, які є джерелом мікробіологічного забруднення (контамінації) відрегенерованого за способом (3) активованого вугілля при подальшій його експлуатації. При цьому, ефективність видалення органічних речовин за показником ХСК знаходиться на рівні показників, що наведені в способі (3). Таким чином, недоліком способу (3) є недостатня ефективність видалення із активованого вугілля органічних забруднень та живих мікроорганізмів за низьких температур розчинів лугу (40-20 °C), а також необхідність застосування складного технологічного обладнання, великі енергетичні витрати, утворення в робочій зоні агресивних парів та небезпечних для довкілля гарячих регенераційних стоків. У основу винаходу поставлено задачу розробити спосіб хімічної регенерації активованого вугілля, у якому здійсненням обробки активованого вугілля за низьких температур у два етапи послідовно розчинами різної хімічної природи забезпечило би високу ефективність хімічної регенерації за рахунок підвищення видалення органічних забруднень та мікроорганізмів у живому стані, дозволило би проводити процес на менш складному технологічному обладнанні з меншими енергетичними витратами без утворення в робочій зоні агресивних парів та небезпечних для довкілля гарячих регенераційних стоків. Для вирішення поставленої задачі запропоновано спосіб хімічної регенерації активованого вугілля, що включає обробку останнього розчином лугу, в якому, згідно з винаходом, обробку активованого вугілля проводять у два етапи: на першому - розчином гідроксиду натрію, на другому - розчином хлориду натрію. При цьому використовують розчин лугу з концентрацією 24 % мас., розчин хлориду натрію з концентрацією 0,8-1,0 % мас., і процес проводять за температури 40-20 °C. Запропонована послідовність обробки відпрацьованого та мікробіологічно забрудненого активованого вугілля розчинами гідроксиду натрію та хлориду натрію за низьких температур забезпечує створення умов ефективного видалення органічних забруднень та мікроорганізмів у живому стані, що запобігає закупорюванню пор вугілля біополімерними продуктами розкладання мікроорганізмів та ліквідує джерело повторного мікробіологічного забруднення (контамінації) відрегенерованого вугілля. Крім того спосіб забезпечує спрощення технологічного процесу та апаратурного оформлення за рахунок виключення операції підігріву розчину лугу до високих температур, призводить до зниження енергетичних витрат та виключає утворення в робочій зоні агресивних парів та небезпечних для довкілля гарячих стоків. Спосіб реалізується наступним чином. У вугільний фільтр з відпрацьованим мікробіологічно забрудненим активованим вугіллям заливають 2-4 % водний розчин гідроксиду натрію з температурою 20-40 °C у кількості, щоб розчин покривав вугілля шаром висотою 15-20 см і витримують 0,5-1,0 години. Утворений регенераційний розчин (лужна витяжка) зливають зі швидкістю 5-10 м/год. Потім фільтр заповнюють 0,8-1 % розчином хлориду натрію в кількості, щоб розчин покривав вугілля шаром 15-20 см і витримують 0,5-1 год. Утворений розчин (сольова витяжка) зливають зі швидкістю 510 м/год. Залишки солі та лугу відмивають холодною водою до встановлення необхідного значення рН води після фільтра, після чого фільтр запускають в експлуатацію. У лужній і сольовій витяжках визначають вміст органічних речовин за показником ХСК, а 3 також загальне мікробне число (ЗМЧ), виражене в КУО/см витяжки. Оцінку мікробіологічного забруднення активованого вугілля здійснюють за результатами визначення ЗМЧ, вираженого в КУО/г вугілля. Досліди проводять наступним чином. Наважку 1-2 г вугілля переносять стерильно в колбу, заливають 25-50 мл розчину Рінгера 3 (містить 8,6 г NaCl, 0,33 г СаСl2, 0,3г KСl в 1 дм води), щільно закривають і струшують протягом 40 хв на апараті Шюттеля. Через 2 хв відстоювання розчин декантують і переміщують. 3 3 Стерильно 1 см змиву вносять у чашку Петрі, туди ж стерильно доливають 10-15 см розплавленого живильного ΜΠΑ (м'ясопептонного агару), з температурою до 50 °C, перемішують і після охолодження поміщають в термостат при 37 °C. Через 18-24 години підраховують кількість колонієутворюючих одиниць /КУО/. Згідно вимог нормативів на одній 2 UA 105574 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 чашці Петрі можна достовірно підрахувати до 300 колоній. У разі перевищення нормативної межі дослідження, виконують з відповідним розведенням змивів. Приклад виконання за винаходом. Регенерації підлягало мікробіологічно забруднене гранульоване активоване вугілля марки Silcarbon K835, відібране з вугільного фільтра установки підготовки технологічної води для виробництва пива та безалкогольних напоїв. Загальне мікробне число вугілля за показником 3 КУО (колонієутворюючих одиниць) становить 1,1×10 КУО на 1 г вугілля. Зразок вугілля в кількості 100 г завантажують в скляну колонку діаметром 22 мм, при цьому висота шару вугілля становить 45 см. У фільтр заливають 3 % водний розчин гідроксиду натрію з температурою 40 °C поки останній не покриє вугілля шаром 20 см. Після витримки протягом 1 години розчин відкачують із фільтра перистальтичним насосом зі швидкістю 10 м/год. (3,8 дм/год.). Потім у фільтр заливають 1 % водний розчин хлориду натрію з температурою 40 °C, витримують 1 годину і відкачують з фільтра із швидкістю 10 м/год. (3,8 дм/год.). Результати наведені в таблиці 2, приклад 1. Аналогічно прикладу 1, виконаному за винаходом, були проведені досліди з хімічної регенерації мікробіологічно забрудненого активованого вугілля обробкою у два етапи, розчинами гідроксиду і хлориду натрію в межах концентрацій і температур, що заявляються, а також при їх позамежових значеннях (табл. 2, приклади 2-12). Показано, що реалізація способу, що заявляється, згідно із заявляємими параметрами хімічної регенерації забезпечує ефективне видалення органічних речовин та мікроорганізмів у живому стані (табл. 2, приклади 2-8). Проведення процесу регенерації АВ з використанням концентрації розчинів лугу і солі, величина яких знаходиться нижче величин, що заявляються, відповідно, 1,6 і 0,75 % мас., (табл. 2, приклад 9) призводить до зменшення хімічної регенерації, а саме, зменшення загальної кількості видалених органічних речовин з АВ, що характеризується зниженням показників ХСК 3 до ПО мг О2/дм , у витяжках, при збільшенні мікробіологічного забруднення у відрегенерованому АВ до 40 КУО/г, тобто до погіршення вказаних показників у 1,5-2 рази. У разі проведення процесу регенерації АВ з використанням концентрацій розчинів лугу і солі, величина яких знаходиться вище величин, що заявляються, відповідно, 4,4 і 1,05 % мас. (табл. 2, приклад 10), ефективність хімічної регенерації також знижується з причини руйнування клітин мікроорганізмів, що призводить до закупорення мікропор АВ біополімерними сполуками, а також до формування біополімерних мікроплівок. У результаті в об'ємі завантаження формуються ізольовані непросочені регенераційним розчином мікроділянки-лінзи з живими мікроорганізмами, які не видаляються подальшою промивкою вугілля холодною водою і є осередком повторного мікробіологічного забруднення АВ. У разі проведення процесу з температурою розчинів лугу і солі, нижчою за параметри, що заявляються, наприклад 15 °C (табл. 2, приклад 11) і вищою, наприклад, 45 °C (табл. 2, приклад 12), показники хімічної регенерації значно погіршуються. За низької температури процесу регенерації АВ знижується миюча здатність регенераційних розчинів відносно органічних речовин і мікроорганізмів. Підвищення температури розчинів призводить до руйнування клітин мікроорганізмів з утворенням в'язких біополімерних продуктів, які закупорюють пори АВ і формують мікролінзи, недоступні для регенеруючих розчинів. Переваги способу хімічної регенерації АВ, що заявляється, в порівнянні з відомим способом (3) полягають у наступному: Підвищення ступеня видалення органічних забруднень та мікроорганізмів у живому стані за низьких температур регенераційних розчинів: - за температури розчину лугу 40 °C кількість видалених з АВ органічних забруднень за 3 показником ХСК збільшується від 90 до 165 мг О 2/дм , тобто в 1,7 разу, за температури 20 °C 3 від 36 до 170 мг О2/дм , тобто в 4 рази; 2 - мікробіологічне забруднення АВ за температури розчину 40 °C зменшується від 1×10 до 2 26 КУО/г, тобто в 4 рази, а за 20 °C - від 5×10 до 16 КУО/г, тобто 31 раз; - зменшення енергетичних витрат за рахунок зниження температури регенераційних розчинів; - виключення з процесу хімічної регенерації агресивних парів та небезпечних для довкілля гарячих регенераційних стоків за рахунок зниження температури регенераційного розчину лугу; - спрощення технології та апаратурного оформлення. 3 UA 105574 C2 Таблиця 1 Спосіб (3) Дані, отримані за способом (3) Загальний ХСК ХСК баланс Загальний Температура витяжки, Температура витяжки, мг ХСК, № баланс № 3 О2/дм3 розчину лугу, мг О2/дм * розчину мг О2/дм3 п/п ХСК, п/п С лугу, °C мг О2/дм3 Лужна Водна Лужна Водна 1 1 2 3 4 2 80 60 40 20 3 4 146,7 3,8 110,0 9,7 77,4 10,6 26,0 7,3 5 150,5 119,7 88,0 33,3 6 5 6 7 8 7 80 60 40 20 8 150 115 80 30 9 12 10 10 6 10 162 125 90 36 Загальне мікробне число активованого вугілля, КУО/г Загальне мікробне число витяжки, КУО/см3 До Після Лужна Водна регенерації регенерації 11 12 13 14 1,5×103 0 0 0 1,2×103 0 0 0 1,5×103 1×102 11 15 1,3×103 5×102 15 20 Таблиця 2 Умови регенерації Показники Загальне мікробне число витяжки, КУО/ см3 Концентрація, Темпе- Концентрація, Темпе- Лужна Сольова Загальний До Після Лужна Сольова % мас ратура, °C % мас ратура, °C витяжка витяжка баланс регенерації регенерації витяжка витяжка 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 За винаходом 3 1 2,0 30 1,0 30 80 75 155 1,3×10 20 15 1,1×102 3 2 3,0 30 1,0 30 90 80 170 1,2×10 23 25 0,9×102 3 4,0 30 1,0 30 95 90 185 1,3×103 21 12 1,2×102 3 4 3,0 40 0,8 40 90 75 165 1,3×10 26 16 1,3×102 5 3,0 36 0,85 36 100 95 195 1,3×103 15 11 1,5×102 3 6 3,0 20 0,8 20 80 70 170 1,3×10 20 18 1,7×102 7 2,0 36 0,85 36 90 80 170 1,3×103 12 17 0,9×102 8 4,0 36 0,85 36 95 85 180 1,3×103 16 15 1,1×102 Позамежеві значення 9 1,6 36 0,75 36 35 75 110 1,3×103 40 20 60 10 4,4 36 1,05 36 45 65 110 1,3×103 41 15 80 11 3,0 15 0,85 15 65 45 110 1,3×103 65 15 85 12 3,0 45 0,85 45 60 60 120 1,3×103 50 5 90 № п/п Розчин лугу (гідроксиду натрію) Розчин солі (хлориду натрію) ХСК, мг О2/дм3 Загальне мікробне число активованого вугілля, КУО/г ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 1. Спосіб хімічної регенерації активованого вугілля, що включає обробку останнього розчином лугу, який відрізняється тим, що обробку активованого вугілля проводять в два етапи, на першому - розчином лугу, а на другому - розчином хлориду натрію, при цьому використовують розчин лугу концентрації 2-4 % мас., розчин хлориду натрію 0,8-1,0 % мас. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що спосіб проводять при температурі 20-40 °C. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак 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 4