Сорбційно-фільтрувальна суміш

Реферат: Винахід належить до галузі хімії, а саме до сорбційно-фільтрувальних сумішей та може бути використаний для очистки різних типів вод. Сорбційно-фільтрувальна суміш містить 4-7 мас. % інертного полімерного матеріалу, 5-10 мас. % низькоосновного аніоніту, 0,5-8 мас. % високоосновного аніоніту, 40-45 мас. % сильнокислого катіоніту гелевого типу, 10-15 мас. % сильнокислого катіоніту макропористого типу, 5-8 мас. % слабокислого катіоніту, 5-15 мас. % сильнокислого катіоніту з інертним ядром, 2-5 мас. % активованого вугілля, імпрегнованого іонами срібла, 4-12 мас. % молекулярного сита, антрацит - решта. Суміш ефективно зм′якшує воду та очищає її від високих концентрацій заліза, марганцю, алюмінію, органічних домішок, сірковуглецю. UA 112581 C2 (12) UA 112581 C2 UA 112581 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Винахід належить до галузі водоочистки, а саме до сорбційно-фільтрувальних сумішей та може бути використаний для очистки різних типів вод: поверхневих, міських, артезіанських, очистки вод спеціального призначення в різних галузях промисловості, вод оборотних систем водопостачання. Фахівцям відомо, що вода питного та господарського призначення навіть після централізованої водопідготовки може характеризуватися підвищеним вмістом солей твердості, заліза, алюмінію, органічних речовин (наприклад, гумусових) і, як наслідок, має високу кольоровість і мутність. Крім того, наявність у воді карбонатної твердості при нагріванні призводить до утворення накипу на поверхнях побутових приладів та іншого обладнання. Найбільш характерними проблемами при підготовці води питної якості відповідно до державних норм і стандартів є видалення заліза, марганцю, солей твердості, сірководню та органічних речовин природного походження. Для комплексного очищення води з рівня техніки відомі багатокомпонентні суміші фільтрувальних матеріалів різних типів. Так, згідно з патентом на винахід RU 2162010, суміш для комплексного очищення води, зокрема, складається з гранульованого активованого вугілля - 20-50 мас. %, іонообмінної смоли - 4-50 мас. %, іонообмінного волокна - 10-60 мас. %. Згідно з патентом на винахід RU 2084279C1 завантаження фільтрів, зокрема, складається із шарів сорбційно-фільтрувальних матеріалів, які послідовно завантажуються за напрямом руху очищуваної води: шар А - мікрофільтраційне волокно з розміром пор 1-100 мкм або суміш даного волокна з гранульованим або волокнистим сульфо- або карбоксильними катіонітами в + + + Na або Na /H формах, або суміш даного волокна з гранульованими або волокнистими + аніонітами в ОН або полійодидній формах, або карбоксильні чи сульфокатіоніти в Na або + + Na /H , або суміші даних катіонітів і гранульованих чи волокнистих аніонітів в ОН або полійодидній формі; шар В - послідовно розміщені шари модифікованого цеоліту моноклінічної структури карбоксильних катіонообмінників типу "ВИОН-КН-1" (1М) або "КБ-ЧП-2" і активованого вугілля, частина з яких перебуває в бактерицидній (срібній) формі; шар С - мікрофільтрувальне волокно з розміром пор 0,5-10 мкм. Головним недоліком вказаних сумішей є складність їх завантаження до установки водопідготовки, оскільки завантаження кожного компонента необхідно проводити окремо у певній послідовності (у випадку приготування суміші з перерахованих компонентів та її завантаження до фільтра під час підготовки установки до роботи не відбудеться розшарування суміші на послідовні фільтруючі шари, що не дозволить реалізувати послідовну фільтрацію води та істотно зменшить ступінь її очистки). Отже, запропоновані суміші не є продуктом, готовим для використання. Також із рівня техніки відомі багатошарові суміші з конкретною послідовністю завантажуваних шарів, що використовуються для комплексного очищення води від різних видів забруднень. Так, згідно з патентом на винахід RU 2174956, фільтрувальна суміш складається з природних мінералів: кварцу, шунгіту та цеоліту, що завантажується до установки водоочистки в довільній послідовності. Недоліком цієї суміші є низький ступінь комплексної очистки води від забруднювачів (зокрема органічних сполук та солей твердості). Згідно з патентом на винахід RU 2305001 фільтрувальна суміш містить вугілля або пісок - 46 мас. %, інертний полімерний матеріал - 4-6 мас. %, низькоосновний аніоніт, імпрегнований гумусовими речовинами - 0,2-15 мас. %, низькоосновний аніоніт, імпрегнований залізом - 0,2+ 15 мас. % та сильнокислий катіоніт в Na формі - решта. Недоліком даної суміші є те, що під час фільтрації води може відбуватися неконтрольоване пропускання в очищену воду органічних речовин, імпрегнованого гумусу. Найбільш близьким до запропонованого винаходу за сукупністю ознак є "Суміш для комплексного очищення води" за патентом на винахід UA 96784, яка містить (в мас. %): інертний полімерний матеріал 7-9 низькоосновний аніоніт 5-8 сильнокислий катіоніт гелевого типу 40-45 сильнокислий катіоніт макропористого типу 10-15 високоосновний аніоніт 5-8 слабокислий катіоніт 5-8 пісок та/або кальцит, та/або шунгіт решта. 1 UA 112581 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 До суттєвих недоліків вказаної суміші можна віднести її незахищеність від біообростання, в тому числі від розвитку у фільтрувальному завантаженні мікроорганізмів (у т.ч. патогенних), бо найпростіші водорості та мікроорганізми можуть розвиватися на адсорбованих завантаженням органічних речовинах, що містились у вихідній воді, в період можливих простоїв фільтрувального устаткування. Також при фільтруванні води через вказану суміш відбувається зниження рН води, зумовлене порівняно високим вмістом у ній слабокислого катіоніту, оскільки в процесі + 2+ 2+ водоочистки катіони Н заміщуються на катіони Са та Mg , що призводить до зниження рН води. Також вказана суміш незадовільно очищає воду від сполук марганцю та алюмінію, що є досить поширеними складовими природних вод. У разі наявності сполуки марганцю погіршують органолептичні характеристики води та негативно впливають на нервові клітини організму, при цьому підвищується втомлюваність, сонливість, знижується працездатність, з'являється депресія, головний біль. Також сполуки марганцю є небезпечними для вагітних жінок, оскільки виникає ризик народження розумово відсталих дітей [1]. В Україні вміст цих сполук перевищує норму в Житомирській, Київській, Вінницькій та Миколаївській областях [2; 3]. Що стосується алюмінію, то в Україні вміст його сполук у водах перевищує встановлені норми в Харківській та Чернівецькій областях [3; 4; 5; 6]. Алюміній потрапляє у природні води при частковому розчиненні глин і алюмосилікатів та з атмосферними опадами чи стічними водами внаслідок викидів окремих виробництв (електротехнічна, авіаційна, хімічна та нафтопереробна промисловість, машинобудування, будівництво, оптика, ракетобудування та атомна енергетика). Солі алюмінію також широко використовують як коагулянти у процесах водопідготовки. Токсичність алюмінію призводить до порушення рухової активності, судом, зниження чи втрати пам'яті, психопатичних реакцій [1]. Задачею запропонованого винаходу є створення сорбційно-фільтрувальної суміші, що: - є простою у використанні (в процесі зарядки устаткування, його експлуатації та регенерації/промивки); 2+ 3+ - має підвищений ступінь очистки води від солей твердості, солей заліза Fe та Fe , марганцю, алюмінію, а також знижує значення перманганатної окиснюваності (ПО); - пригнічує розвиток біологічних об'єктів, запобігаючи біообростанню сорбційнофільтрувальної суміші, що може відбуватися в період можливих простоїв фільтрувального устаткування, і дає можливість одержувати очищену воду, що за вмістом бактерій відповідає чинним вимогам до питної води, придатної для споживання без додаткової обробки; - регулює рН води, наближаючи його до значення 7,0, регламентованого чинними вимогами до питної води, придатної для споживання без додаткової обробки. Поставлена задача вирішується шляхом створення сорбційно-фільтрувальної суміші, що містить інертний полімерний матеріал, низькоосновний аніоніт, високоосновний аніоніт, сильнокислий катіоніт гелевого типу у кількості 40-45 мас. %, сильнокислий катіоніт макропористого типу у кількості 10-15 мас. %, слабокислий катіоніт у кількості 5-8 мас. %. При цьому, відповідно до запропонованого винаходу, вміст інертного полімерного матеріалу становить 4-7 мас. %, низькоосновного аніоніту 5-10 мас. %, високоосновного аніоніту 0,58 мас. %, а заявлена сорбційно-фільтрувальна суміш додатково містить такі компоненти, мас. %: сильнокислий катіоніт з інертним ядром 5-15 активоване вугілля, імпрегноване іонами срібла 2-5 молекулярне сито 4-12 антрацит решта. При цьому, згідно із запропонованим винаходом, переважно використовують компоненти 3 завантаження, що мають таку густину, г/см : менше інертний полімерний матеріал 1,0 сильнокислий катіоніт гелевого типу 1,2-1,3 сильнокислий катіоніт макропористого типу 1,2-1,3 високоосновний аніоніт 1,03-1,1 низькоосновний аніоніт 1,03-1,1 2 UA 112581 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 слабокислий катіоніт 1,14-1,3 сильнокислий катіоніт з інертним ядром 1,2-1,3 активоване вугілля, імпрегноване іонами срібла 0,9-1,5 молекулярне сито 1,65-2,0 антрацит 1,65-2,0. Оскільки інертний полімерний матеріал не має виражених сорбційних властивостей і потрібен лише для розшарування суміші під час підготовки її до використання, зменшення його вмісту призводить до економії цього компонента суміші та вивільнення корисного об'єму для її інших складових. Збільшення діапазону вмісту низькоосновного аніоніту із одночасним зменшенням діапазону вмісту високоосновного аніоніту призводить до: - зменшення інтенсивності вивільнення аніонів Сl , вміст яких в очищеній воді обмежується відповідними нормами, що відбувається в процесі іонного обміну між високоосновним аніонітом у Сl формі та аніонами розчинених у воді солей, що містяться у воді; - вивільнення аніонів ОН (оскільки низькоосновний аніоніт знаходиться в ОН формі), що не несуть забруднювального навантаження, а навпаки сприяють коригуванню значень рН води, що підлягає очистці. Додавання до суміші сильнокислого катіоніту з інертним ядром сприяє збереженню ресурсу сильнокислих катіонітів гелевого та макропористого типу (головні компоненти запропонованої суміші) та підвищує ефективність суміші щодо очищення води від заліза, марганцю та солей твердості, а також збільшує об'єм очищеної води між процесами регенерації. Вказаний компонент має високу обмінну ємність та фізико-хімічну стабільність. Функціональні групи розташовані на поверхні смоли близько одна від одної, таким чином, що реакція іонного обміну 2+ 2+ (поглинання) катіонів Fe та Мn відбувається на поверхні смоли без можливості вимивання поглинутих катіонів, а така будова катіоніту дає можливість його повної регенерації під час технічного обслуговування водоочисного обладнання. Додавання до суміші активованого вугілля, імпрегнованого іонами срібла, пригнічує розвиток мікроорганізмів та покращує її сорбційні якості. Додавання до суміші молекулярного сита потрібно для корегування рН відфільтрованої води до значень, близьких до нейтрального (7,0). Основою молекулярного сита є водні алюмосилікати кальцію і натрію (цеоліти або пермутити). Штучно синтезовані цеоліти (пермутити) широко застосовуються у водоочисних установках як адсорбенти, іонообмінники, їх також застосовують як донорів електронів, оскільки + + + цеоліти поглинають частину катіонів H , замінюючи їх на катіони Na або К , при цьому відбувається корегування рН відфільтрованої води до значень, близьких до нейтрального (7,0). Додавання до суміші антрациту покращує органолептичні якості води, що підлягає очистці, та знижує значення перманганатної окиснюваності (ПО), оскільки він має здатність адсорбувати органічні сполуки, гумінові кислоти, вміст яких, власне, і визначає значення ПО води. Комбінація сильнокислих катіонітів гелевого та макропористого типу має підвищені селективні сорбційні властивості з очищення води від сполук алюмінію. Варто зазначити, що заявлена суміш є простою у використанні (в процесі зарядки устаткування, його експлуатації та регенерації/промивки). Технологія її виробництва передбачає перед фасуванням ретельне перемішування вказаних компонентів у заявленій кількості. Перед використанням запропоновану фільтрувальну суміш завантажують у циліндричну ємність, встановлену вертикально й оснащену вхідним і вихідним патрубками для пропускання води, а також верхнім і нижнім дренажами. Для утворення оптимальної структури завантаження крізь нього пропускають мінімум 5 об'ємів води на 1 об'єм суміші у напрямку знизу догори, а потім 20 об'ємів води на 1 об'єм суміші у напрямі згори донизу. В процесі підготовки відбувається розшарування завантаження, що призводить до утворення багатошарової фільтрувальної суміші, яка забезпечує високоефективну багатоступеневу очистку води. Умови реалізації процесу водопідготовки: 3 2 - лінійна швидкість потоку очищуваної води - 20 м /м годину; - розчин для регенерації суміші - 8-10 % NaCl; - витрата розчину для регенерації - 140-160 г на л суміші. Склад модельного розчину та ГДК контрольованих компонентів наведено у таблиці 1. 3 UA 112581 C2 Таблиця 1 Характеристики Модельний розчин ГДК* твердість, ПО, мгО2/л мг* екв/л 5,8 3,24