сорбционно-фильтровальная загрузка для очистки воды и способ ее производства

Формула изобретения

1. Сорбционно-фильтровальная загрузка для очистки воды, выполненная в виде слоев, содержащих нетканый волокнистый материал, который образован из волокнистых веществ природного происхождения и частиц высушенного торфа, отличающийся тем, что она содержит нетканый волокнистый материал природного происхождения, предварительно обработанный минеральной кислотой, и торф в виде гранул, также предварительно обработанный минеральной кислотой и размещенный между слоями нетканого волокнистого материала.

2. Сорбционно-фильтровальная загрузка по п.1, отличающаяся тем, что высота слоя торфа выполнена от 40 до 6000 мм.

3. Сорбционно-фильтровальная загрузка по п.1, отличающаяся тем, что высота каждого слоя нетканого волокнистого материала выполнена от 2 до 40 мм.

4. Сорбционно-фильтровальная загрузка по п.1, отличающаяся тем, что высушенные гранулы торфа выполнены размером от 1 до 10 мм.

5. Сорбционно-фильтровальная загрузка по п.1, отличающаяся тем, что нетканый волокнистый материал получен путем осаждения суспензии из природных волокнистых веществ, например целлюлозы, камвольного кнопа, хлопкового делинта, древесного волокна.

6. Способ производства сорбционно-фильтровальной загрузки для очистки воды, включающий предварительную обработку компонентов химическими реагентами с последующим формированием загрузки, отличающийся тем, что торф перед обработкой химическими реагентами предварительно гранулируют и высушивают, а обработку торфа и нетканого волокнистого материала осуществляют раствором минеральной кислоты, формируют загрузку путем последовательной укладки компонентов, располагая гранулированный торф между слоями нетканого волокнистого материала.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что торф и нетканый волокнистый материал обрабатывают, например, 0,01-4 н раствором соляной кислоты.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что суспензию осаждают на сетчатую перегородку тремя равными частями, но разными скоростями осаждения.

9. Способ по п.6, отличающийся тем, что обработку торфа и нетканого волокнистого материала осуществляют путем замачивания в растворе минеральной кислоты в течение 10-12 ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сорбционно-фильтровальным материалам для очистки воды и к способу их получения, а именно сорбционно-фильтровальной загрузке, к способу ее получения на основе природных сорбентов для очистки воды, например, промышленных, бытовых и поверхностных сточных вод одновременно от взвешенных веществ, нефтепродуктов, коллоидно-растворенных форм солей и ионов цветных и тяжелых металлов с концентрацией до 100 мг/л и органических загрязнений. Так как очищаемые воды являются полярной жидкостью, то весь процесс очистки сорбционно-фильтровальным материалом основан на протекании сорбционных динамических процессов.

Известны природные и синтетические сорбенты, применяемые в качестве фильтровальной загрузки для очистки воды (сточных вод). К ним относятся активные угли, синтетические смолы, неуглеродные сорбенты [Смирнов А.Д. Сорбционная; очистка воды. - Л.: Химия, 1982. - С.7-24].

Известно, что использование торфа как природного органического сорбента и волокнистых нетканых материалов на природной основе в качестве сорбционно-фильтровальной загрузки позволяет заменить дорогие искусственные и синтетические материалы, производство которых сопряжено с загрязнением окружающей среды вредными веществами, на доступные из местного сырья.

Известен фильтрующий материал на основе торфа и других органических материалов для очистки сточных вод [Заявка ФРГ N 2206445 кл. 12 d 1/03, 1973]. Однако известный фильтрующий материал характеризуется низкой адсорбционной способностью и механической прочностью. Плохая проницаемость торфа потоком фильтруемой жидкости ухудшает гидравлические характеристики фильтрующего материала. Кроме того, происходит вынос мелких частиц торфа в фильтрат, что приводит к загрязнению очищаемых стоков.

Известен фильтровальный нетканый материал, применяемый для фильтрации различных сред и состоящий из волокнистых слоев, скрепленных между собой связующим веществом [Патент США N 2834740 кл. 210-504, 1958]. Основным недостатком данного материала является использование целого ряда волокнистых слоев из различных волокон, а также связующего вещества, что предопределяет сложность производства данного материала и его дороговизну.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту очистки является фильтровальный элемент, выполненный в виде слоев, содержащих нетканый волокнистый материал, образованный из волокнистых веществ природного происхождения и полидисперсного вещества. Причем в качестве полидисперсного (связующего) вещества используются волокнисто-пленочные полимерные связующие фибриды и частицы высушенного торфа [Патент РФ N 2043137 МКИ B 01 D 39/00, 10.09.95].

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является способ изготовления фильтровального элемента, заключающийся в укладывании волокнистых веществ природного происхождения и полидисперсного вещества. Для этого перемешивают суспензию лопастной мешалкой, а затем заливают ее послойно в определенные ячейки [Патент РФ N 2043137 МКИ B 01 D 39/00, 10.09.95].

Несмотря на преимущества этого фильтровального элемента и способа его получения на основе волокнистых веществ природного происхождения, а также торфа (нетоксичного экологически безопасного сырья), он имеет ряд недостатков.

Так как торф является как природным катионитом с наличием в его структуре органических соединений - активных функциональных групп, так и природным сорбентом, относящимся к гетеропористой системе, то извлечением им во всем объеме органических и неорганических загрязнений обусловлено как физической сорбцией, так и хемосорбцией - взаимодействием сорбата с функциональными группами сорбента.

В известном фильтровальном элементе используется низинный торф (в виде частиц, в соотношении 20-40% по мас.) в качестве связующего и вяжущего материала. Однозначно, здесь используется фрезерный торф - пылевидный продукт высушенного исходного торфа с размерами частиц менее 5 мкм. В процессе получения фрезерного торфа исходный торф претерпевает термическую (при температуре 30-50^oC) и механическую обработку. Следовательно, он теряет первоначальные сорбционно-фильтровальные свойства и приобретает свойства гидрофобного материала. Поэтому известный фильтровальный элемент является только фильтровальным материалом, используемым для очистки неполярных жидкостей от механических примесей, т.е. твердых частиц.

Кроме того, в качестве связующего наряду с торфом, предлагается использование фибридов - материалов искусственного происхождения.

Задачей изобретения является повышение эффективности очистки воды путем использования сорбционно-фильтровальной загрузки, выполненной из материалов природного происхождения.

Поставленная задача достигается тем, что сорбционно-фильтровальная загрузка для очистки воды, выполненная в виде слоев, содержащих нетканый волокнистый материал, который образован из волокнистых веществ природного происхождения и частиц высушенного торфа, согласно изобретению содержит нетканый волокнистый материал природного происхождения, предварительно обработанный минеральной кислотой, и торф в виде гранул, также предварительно обработанный минеральной кислотой и размещенный между слоями нетканого волокнистого материла.

В частном случае сорбционно-фильтровальной загрузки высота слоя торфа выполнена от 40 до 6000 мм. А также в частном случае высота каждого слоя нетканого волокнистого материала выполнена от 2 до 40 мм. Причем в частном случае высушенные гранулы торфа выполнены средним размером от 1 до 10 мм. При этом в частном случае нетканый волокнистый материал получен путем осаждения природных волокнистых веществ, например целлюлозы, камвольного кнопа, хлопкового делинта, древесного волокна.

Способ производства сорбционно-фильтровальной загрузки для очистки воды, включающий предварительную обработку компонентов химическими реагентами, с последующим формированием загрузки, отличающийся тем, что торф перед обработкой химическими реагентами предварительно гранулируют и высушивают, а обработку торфа и нетканого волокнистого материала осуществляют раствором минеральной кислоты, формируют загрузку путем последовательной укладки компонентов, располагая гранулированный торф между слоями нетканого волокнистого материала. В частном случае способа получения сорбционно-фильтровальной загрузки обрабатывают компоненты, например, 0,01-4 н. раствором соляной кислоты. Кроме того, в частном случае способа производства при получении нетканого волокнистого материала суспензию осаждают на сетчатую перегородку тремя равными частями, но разными скоростями осаждения. При этом в частном случае способа производства обработку торфа и нетканого волокнистого материала осуществляют путем замачивания в растворе минеральной кислоты в течение 10-12 часов.

Сорбционно-фильтровальная загрузка и способ ее производства заключается в следующем.

В ее образовании используется предварительно высушенный гранулированный торф. Под гранулированным торфом понимается переработанный и сформованный в шарообразные гранулы исходный верховой торф. Такой гранулированный торф предусматривается получать методом окатывания на тарельчатом грануляторе исходного верхового торфа высокой степени разложения R > 15-30% и влажностью 75-82%. Преимущества использования в качестве исходного материала верхового торфа высокой степени разложения по сравнению с низинным состоят в том, что он имеет однородную структуру пор меньших размеров. Затем после получения торфяные гранулы высушивают методом расстила в естественных условиях при температуре 18-20^oC. Таким образом, в процессе получения высушенные гранулы торфа полностью сохраняют сорбционные свойства исходного верхового торфа, а процесс грануляции торфа способствует улучшению его гидравлических характеристик, физико-механических свойств как фильтровального материала.

Кроме того, при окатывании торфа увеличивается его насыпная плотность, уменьшается набухаемость, возрастают прочностные свойства природного сорбента, становится однородным зерновой состав. Так, за счет гранулирования в торфяной фильтровальной загрузке снижаются потери напора в фильтре примерно в 8 раз, водопоглощение материала уменьшается в 3 раза. При этом сохраняются процентная естественная пористость торфа (порозность 85-87%) и его сорбционная активность (емкость), ионообменные свойства. Причем сорбционные характеристики предварительно высушенного гранулированного торфа возрастают при уменьшении размера фракций. При среднем размере фракций от 1 до 10 мм гранулированный торф имеет высокую поглотительную способность при наименьшем гидравлическом сопротивлении фильтрату. Кроме того, при использовании торфяных гранул с другими размерами фракций может привести к резкому ухудшению сорбционно-фильтровальных свойств торфяной загрузки. Целесообразно также перед использованием гранулированный торф обрабатывать раствором минеральной кислоты путем замачивания в течение 10-12 часов, например, 0,01-4 н. раствором соляной кислоты для полного удаления из него природно-сорбированных ионов и легкогидролизуемых соединений.

Для увеличения сорбционной емкости торфяной загрузки целесообразно использовать нетканый волокнистый материал на природной основе, состоящий из отходов целлюлозно-бумажной и текстильной промышленности. При этом такой нетканый волокнистый материал желательно получать путем осаждения суспензии после дозирования и смешения исходных компонентов (наполнителя и связующего). Причем суспензию осаждают на сетчатую перегородку тремя равными частями с разными скоростями, соответствующими выбранному режиму давления. Так как изменение скоростного режима осаждения дает возможность получать нетканый волокнистый материал с разной пористостью по толщине, позволяющей повысить его сорбционную способность. При этом происходит полное связывание волокон наполнителя связующим компонентом за счет электростатических сил межмолекулярного взаимодействия. Вследствие чего получается фильтровальный материал объемного действия с высокой сорбционно-активной емкостью, имеющий градиентно-анизотропную структуру, характеризующийся закономерным уменьшением размеров пор от входа к выходу фильтруемой воды (пористостью на входе - 90,8-92,7%, на выходе - 83,8-84,1%). При этом целесообразно в качестве исходных компонентов использовать природные волокнистые вещества, например целлюлозу, камвольный кноп, хлопковый делинт, древесные волокна. Полученный фильтровальный материал - практически стойкий во всех полярных и неполярных средах, за исключением концентрированных минеральных кислот и некоторых активных комплексообразователей, а также механически прочный при высоких динамических нагрузках. Желательно перед использованием нетканый волокнистый материал обрабатывать раствором минеральной кислоты путем замачивания в течение 10-12 часов, например, 0,01-4 н. раствором соляной кислоты для полного удаления из него сорбированных в процессе получения катионов.

При производстве сорбционно-фильтровальной загрузки используются материалы - высушенный гранулированный торф и нетканый волокнистый материал при массовом соотношении соответственно: 85-80% : 15-20%, причем ранее изготовленные и предварительно обработанные минеральной кислотой независимо друг от друга. Образование предлагаемой загрузки состоит только в размещении их в фильтровальной установке в определенной последовательности: слоя из торфяных гранул между слоями из нетканого волокнистого материала. Кроме того, здесь основным сорбционно-фильтровальным слоем является слой из торфяных гранул. Слои из нетканого волокнистого материала являются дополнениями к основному слою и выполняют роль равномерного распределителя жидкости по верхней поверхности загрузки. Кроме того, верхний слой задерживает самые крупные загрязнения, способствует началу прохождения основных сорбционных процессов, препятствует первоначальному гидростатическому всплытию гранул торфа под напором фильтруемой воды. Нижний слой используется в качестве поддерживающего слоя для торфяных гранул. Таким образом, благодаря слоям из нетканого волокнистого материала в слое из торфяных гранул более эффективно протекают сорбционные процессы.

Для получения высокой эффективности очистки воды, например сточных вод, от указанных выше примесей и загрязнений целесообразно торфяную гранулированную загрузку располагать между слоями нетканого волокнистого материала с высотой загрузки торфа от 40 до 6000 мм и высотой каждого слоя нетканого волокнистого материала от 2 до 40 мм. При этом высота слоев загрузки диктуется особенностями конструкций типовых фильтровальных установок, а также содержанием загрязнений в исходной воде, подвергаемой очистке.

Преимуществом также является то, что гранулированная загрузка и нетканый волокнистый материал практически не разрушаются при длительной эксплуатации. Десятикратная регенерация торфяной гранулированной загрузки соляной или серной кислотой не приводит к значительной потере его сорбционной емкости. Однако дальнейшее использование торфяной гранулированной загрузки нецелесообразно, так как длительное ее использование сопровождается постепенным понижением способности очищать воду. Также торфяную гранулированную загрузку вместе с нетканым волокнистым материалом, который изготавливается из отходов промышленности, рекомендуется утилизировать путем получения качественного коммунально-бытового топлива для нужд малой энергетики.

Изобретение поясняется чертежом, где представлен общий вид загрузки. Загрузка выполнена в виде слоев нетканого волокнистого материала 1, между которыми расположен слой гранулированного торфа 2. При этом высушенные гранулы торфа выполнены средним размером от 1 до 10 мм, а толщина слоев 1 - от 2 до 40 мм и 2 - от 40 до 6000 мм.

Пример 1. Сорбционно-фильтровальную загрузку получали следующим образом:

Брали верховой торф высокой степени разложения (25%) влажностью 82% в количестве 1 кг и гранулировали его на тарельчатом грануляторе методом скатывания. Полученные таким образом шарообразные торфяные гранулы со средним размером 4 мм подвергали сушке методом расстила в естественных условиях при температуре воздуха 20^oC. Затем торфяные гранулы влажностью 13% обрабатывали 0,1 н. раствором соляной кислоты путем перемешивания в естественных условиях в течение 12 часов. После окончания обработки торфяные гранулы отделяли от раствора кислоты путем сливания раствора через сито с диаметром отверстий 1 мм.

Также брали нетканый волокнистый материал, состоящий из хлопкового пуха и отходов целлюлозы, и нарезали его на куски с площадью, соответствующей площади размера фильтровальной колонки диаметром 40 мм. Затем данные куски нетканого волокнистого материала подвергали обработке также 0,1 н. раствором соляной кислоты в течение 12 часов путем замачивания. После окончания обработки раствор соляной кислоты отделяли от обрабатываемого материала путем сливания.

Далее формировали сорбционно-фильтровальную загрузку путем последовательной укладки компонентов в фильтровальной колонке диаметром 40 мм. При этом брали 50 г обработанных торфяных гранул располагали их между слоями обработанного нетканого волокнистого материала. Таким образом получали фильтр с сорбционно-фильтровальной загрузкой объемом 100 см³.

Пример 2. Проводили очистку сточных вод гальванических, вискозных производств и автотранспортного предприятия. С этой целью сточные воды количеством 10 л с реакцией среды pH 5,2 пропускали нисходящим потоком через предлагаемую фильтровальную колонку, полученную по примеру 1, со скоростью 5 л/чдм² и исследовали эффективность очистки стоков от имеющихся в них загрязнений. При этом очищаемые сточные воды до фильтрования содержали следующие виды загрязнений (по концентрации): взвешенные вещества - 240 мг/л, ХПК - 315 мгО/л, цветность - 335 град., нефтепродукты - 62 мг/л, в коллоидно-растворенной форме соли цветных и тяжелых металлов - Cu - 14 мг/л, Zn - 4,7 мг/л, Ni - 20 мг/л, растворы солей в ионной форме - Fe - 8,2 мг/л, Zn - 6,1 мг/л.

Результаты очистки сточных вод в сравнении с прототипом приведены в таблице.

При этом техническим результатом, который достигается при использовании предлагаемой фильтровальной загрузки, обладающей сорбционными свойствами, являлось повышение эффективности очистки воды от взвешенных, коллоидных частиц и от нефтепродуктов по сравнению с прототипом.

Анализ результатов исследования показывает, что по сравнению с прототипом эффективность очистки предлагаемой сорбционно-фильтровальной загрузкой по взвешенным веществам, нефтепродуктам, по снижению цветности выше 1,06-1,2 раза. Кроме того, степень извлечения катионов из растворов в коллоидно-растворенной форме и ионной форме составляет 96-99%.

Таким образом, заявляемая сорбционно-фильтровальная загрузка, обладающая высокой поглотительной емкостью, высокой механической прочностью и хорошей проницаемостью, является экологически безопасной и достаточно доступной для реализации в производственных условиях на имеющихся типовых установках.