способ приготовления рабочего раствора коагулянта

Формула изобретения

Способ приготовления рабочего раствора коагулянта, включающий его перемешивание и циркуляцию, отличающийся тем, что перемешивание ведут одновременно с диспергированием частиц коагулянта, вплоть до наноразмеров, а циркуляцию осуществляют через кавитационно-вихревой поток при одновременном повышении температуры, причем большее значение времени циркуляции соответствует большей температуре нагрева, при этом среднеквадратичный градиент скорости перемешивания суспензии (G) составляет от 220000 с^-1, а время циркуляции от 4-15 мин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам приготовления рабочего раствора коагулянта, в том числе и полиоксихлорида алюминия, для очистки вод от загрязняющих веществ и может быть использовано в области хозяйственно-питьевого, технического водоснабжения или в физико-химической очистке сточных вод.

Известен способ приготовления рабочего раствора коагулянта, в котором растворение реагентов в жидкости ведут барботированием воздухом или механическим перемешиванием при относительно низких оборотах мешалки. Иногда растворение ведут непрерывной циркуляцией раствора насосом. Растворение реагента происходит путем создания потоков: внутренних циркуляционных (барботаж или механическое перемешивание с относительно низкой интенсивностью) либо внешних (циркуляционный насос) (см. Фрог Б.Н. Водоподготовка. - Москва, 2001 г., с.111-114). При этом для повышения растворимости коагулянта ведут подогрев жидкости.

Недостатками данного способа являются необходимость применения дополнительного источника нагрева и, следовательно, высокие эксплуатационные расходы при получении горячей воды, подаваемой для растворения реагентов в период низких температур; низкая интенсивность перемешивания и, следовательно, значения среднеквадратичного градиента скорости перемешивания, практически не оказывающая влияние на степень дисперсности приготовляемой суспензии и, следовательно, на ее коагуляционную способность.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ приготовления рабочего раствора коагулянта путем совместного гидравлического и пневматического перемешивания за счет его циркуляции через колонну, в центре которой создается воздушный жгут засасываемого из атмосферы воздуха (см. Турянский И.П., Лысов В.А., Турянская Н.И. Реконструкция и интенсификация инженерных сетей и сооружений водопровода. Ростов-на-Дону, 2002 г., с.48).

Принятый за прототип способ обладает рядом недостатков: при простоте реализации затрачиваемая энергия расходуется только на перемешивание и циркуляцию приготовляемого рабочего раствора коагулянта в системе. Поскольку растворение - процесс эндотермический, то для более полного растворения коагулянта требуется подогрев раствора. При этом среднеквадратичный градиент скорости перемешивания (G) довольно низок и имеет порядок нескольких сотен с^-1, т.е. в данном способе не происходит существенного изменения физико-химических свойств приготовляемого рабочего раствора коагулянта (температуры, степени дисперсности), что не повышает его коагуляционную активность и не влияет на процесс его "старения".

Задачами изобретения являются:

- снижение эксплуатационных расходов, связанных с подогревом воды для приготовления рабочего раствора коагулянта;

- повышение коагуляционной активности приготовляемого рабочего раствора коагулянта, выражающееся в интенсификации происходящего в дальнейшем, при его применении, процесса агрегирования взвешенных веществ;

- увеличение времени "старения " рабочего раствора коагулянта.

Решение задачи достигается тем, что в известном способе приготовления рабочего раствора коагулянта, включающем его перемешивание и циркуляцию, перемешивание ведут одновременно с диспергированием частиц коагулянта, вплоть до наноразмеров, а циркуляцию осуществляют через кавитационно-вихревой поток при одновременном повышении температуры, причем большее значение времени циркуляции соответствует большей температуре нагрева. При этом среднеквадратичный градиент скорости перемешивания суспензии (G) составляет от 220000 c^-1, а время циркуляции - от 4-15 мин.

Способ приготовления рабочего раствора коагулянта осуществляется следующим образом. В емкость, содержащую товарный коагулянт, заливают необходимое для получения заданной концентрации количество воды. Затем полученную суспензию многократно пропускают через кавитационно-вихревой поток при значениях G от 220000 c^-1 и времени циркуляции (Т) от 4-15 мин. С этой целью применяется тепловой вихревой генератор, который позволяет обеспечить в баке циркуляцию приготавливаемого рабочего раствора коагулянта. В процессе циркуляции жидкость многократно проходит через формирующийся внутри корпуса генератора кавитационно-вихревой поток с высокой степенью турбулентности, который и вызывает диспергирование частиц приготавливаемой суспензии. Диспергирование в кавитационно-вихревом генераторе по сравнению с чисто гидромеханическим перемешиванием происходит за счет диссипации в вихревой поток дополнительной энергии "захлопывания" кавитационных пузырьков. Процесс диспергирования идет как бы с нарастающим эффектом во времени за счет циркуляции. Параллельно с процессом диспергирования также происходит нагрев циркуляционного потока, что ускоряет процесс растворения реагента, особенно в период низких температур.

Поскольку приготовляемый рабочий раствор коагулянта не является истинным раствором, а лишь достаточно тонкодисперсной разбавленной суспензией (золем), то диспергирование частиц такой суспензии и ее параллельный нагрев ускоряет процесс дальнейшего гидролиза коагулянта. При введении его в обрабатываемую воду он проходит полнее, а увеличение численной концентрации частиц при одной и той же их концентрации в единице объема приводит к ускорению первой стадии процесса коагуляции - перекинетической и более эффективной следующей за ней ортокинетической стадии. В целом повышается эффективность агломерации взвеси обрабатываемой воды. Кроме этого получаемый тонкодисперсный рабочий раствор коагулянта более продолжительно во времени сохраняет свою коагуляционную активность, т.е. увеличивается его время "старения".

Примеры конкретного осуществления способа.

Способ приготовления рабочего раствора коагулянта - полиоксихлорида алюминия (ПОХА) "АКВА-АУРАТ^тм30" (АА) - по прототипу моделировался путем его перемешивания и циркуляции суспензии с захваченным атмосферным воздухом при следующих параметрах: G=700 с^-1; Т=15 мин; температура (t)-20,6°C (нагрев приготовляемого рабочего раствора не происходит).

При приготовлении рабочего АА по предлагаемому изобретению его пропускали через кавитационно-вихревой поток с параметрами:

1. G=224 322 с^-1; Т=4 мин (табл.1), нагрев до t=32°С.

2. G=626185 с^-1 и Т=15 мин (табл.1), нагрев до t=70°С.

Пример 1. Для подтверждения эффекта диспергирования частиц рабочего раствора реагента определяли их эквивалентные радиусы двумя методами: седиментационным по Н.Я.Авдееву, в котором эффект осветления оценивали фотоэлектроколориметрическим способом, и турбидиметрическим (Фролов Ю.Г., Гродский А.С. Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии. - М.: Химия, 1986 г., с.113-116).

Сравнительные результаты экспериментов приведены в табл.1.

Пример 2. Эффект увеличения времени "старения" рабочего раствора АА оценивали по его оптической плотности при длине волны 540 нм (зеленый, №6 светофильтр).

Результаты по исследованию динамики "старения" приготовленного рабочего раствора АА при различных способах его осуществления приведены в табл.2.

Увеличение коагуляционной активности приготовляемого различными способами рабочего раствора АА оценивали путем поведения технологического моделирования процесса осветления воды р.Дон. Приготовленный заданным способом рабочий раствор АА вводился в цилиндр установки пробного коагулирования типа "Джар-Тест", в котором моделировались гидродинамические условия, характерные для обработки речной воды на очистных сооружениях в пос.Александровка (г.Ростов-на-Дону) при введении реагентов на площадке очистных сооружений: смешение (смеситель) G_см=80 с^-1 , время 3 мин; движение по трубопроводам от смесителей к камерам хлопьеобразования G_труб=120 с ^-1, время 1,5 мин; гидравлическое перемешивание в камере хлопьеобразования G_кхо=15 с ^-1, время 6 мин. Доза вводимого раствора АА принималась равной производственной, характерной для данного качества исходной воды.

Пример 3. При приготовлении рабочего раствора АА осуществляли его циркуляцию через кавитационно-вихревой поток со следующими параметрами: G=224322 с^-1 и Т=4 мин. При исходной мутности воды 16,5 мг/дм ³ мутность обработанной воды приготовленным таким образом рабочим раствором АА после 30 мин отстаивания составила 6,8. При обработке этой же воды рабочим раствором АА, приготовленным по прототипу, мутность отстоянной в течение 30 мин воды составила 9,9 мг/дм³.

Пример 4. При приготовлении рабочего раствора АА осуществляли его циркуляцию через кавитационно-вихревой поток со следующими параметрами: G=224322 с^-1 и Т=15 мин. При исходной мутности воды 16,5 мг/дм ³ мутность обработанной воды приготовленным таким образом рабочим раствором АА после 30 мин отстаивания составила 5,7. При обработке этой же воды рабочим раствором АА, приготовленным по прототипу, мутность отстоянной в течение 30 мин воды составила 9,9 мг/дм³.

Пример 5. При приготовлении рабочего раствора АА осуществляли его циркуляцию через кавитационно-вихревой поток со следующими параметрами: G=626185 с^-1 и Т=4 мин. При исходной мутности воды 16,5 мг/дм ³ мутность обработанной воды приготовленным таким образом рабочим раствором АА после 30 мин отстаивания составила 4,6. При обработке этой же воды рабочим раствором АА, приготовленным по прототипу, мутность отстоянной в течение 30 мин воды составила 9,9 мг/дм³.

Пример 6. При приготовлении рабочего раствора АА осуществляли его циркуляцию через кавитационно-вихревой поток со следующими параметрами: G=626185 с^-1 и Т=15 мин. При исходной мутности воды 16,5 мг/дм ³ мутность обработанной воды приготовленным таким образом рабочим раствором АА после 30 мин отстаивания составила 3,5. При обработке этой же воды рабочим раствором АА, приготовленным по прототипу, мутность отстоянной в течение 30 мин воды составила 9,9 мг/дм³.

Преимущества предлагаемого способа приготовления рабочего раствора коагулянта заключаются в следующем.

Происходящий параллельно процессу диспергирования частиц коагулянта приготовляемого рабочего раствора коагулянта его нагрев ускоряет растворение товарного продукта и не требует дополнительных источников подогрева воды.

Уменьшение размеров частиц такой суспензии, с одной стороны, повышает ее агрегативную устойчивость и тем самым замедляет ее "старение" (в смысле коагуляционной активности). С другой стороны, последующий гидролиз АА в этом случае идет быстрее, а образующиеся при этом в коллоидной системе продукты гидролиза обладают большей адсорбционной способностью (за счет их размеров), а именно процессы адсорбции различных коллоидных и высокомолекулярных примесей, дополняющие электрохимические взаимодействия, и определяют высокую эффективность применения ПОХА.

Способ не требует дорогостоящего оборудования, является по суммарным затратам экономичным, эффективным и экологически безопасным. Использование данного способа в промышленности не связано со значительными капиталовложениями.

Таблица 1 Сравнительные данные по значениям эквивалентного радиуса доминирующего в системе по методу Н.Я.Авдеева и турбидиметрическим методом
Способ приготовления рабочего раствора АА		Параметры способа						Метод П.Я. Авдеева			Турбидиметрический метод
		G, c-1		Т, мин		t, °C
по прототипу		700		15		20,6		1,191			1,027
по изобретению		224322		4		32,0		0,885			0,546
		626185		15		70,0		0,580			0,225
Примечание. G - среднеквадратичный градиент скорости перемешивания; Т - время циркуляции; t - температура нагрева.
Таблица 2 Динамика изменения оптической плотности рабочего раствора "АКВА-АУРАТтм30" во времени ("старение")
Способ приготовления рабочего раствора АА	Параметры способа						Оптическая плотность через (в часах)
	G, c -1		Т, мин		t, °C		0		0,5	24		48	120
по прототипу	700		15		20,6		1,10		0,760	0,42		0,36	0,18
по изобретению	224322		4		32,0		1,60		1,550	1,40		1,35	1,17
			15		70,0		3,00		2,800	2,60		2,40	2,00