способ получения сорбента для очистки воды

Формула изобретения

Способ получения сорбента для очистки воды в системе хозяйственно-питьевого назначения, отличающийся тем, что в качестве основы сорбента использованы отходы буровых работ (ОБР), в которые вносят портландцемент 500 (ПЦ) при соотношении компонентов, равном 1:1, из полученной массы формуют гранулы, из которых после отверждения при температуре 25-40°С в течение 3-4 дней вымывают хлорид натрия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно к получению экологически чистого алюмосиликатного сорбента, предназначенного для очистки воды от ионов тяжелых металлов и ряда органических соединений в системе хозяйственно-питьевого водоснабжения. Основу сорбента составляют отходы буровых работ, в которые с целью увеличения прочности вносят портландцемент 500.

Известно решение, которое относится к очистке сточных вод, содержащих анионные поверхностно-активные вещества (СПАВ), и может быть использовано в различных областях, связанных с их производственным применением. Изобретение предназначено для повышения степени очистки сточной воды от СПАВ. Для достижения этой цели разработан способ очистки, включающий операцию электрокоагуляции, время которой составляет 10-40 минут, а в качестве сорбента применяют шунгит. Целесообразно использование шунгита, прокаленного при температуре 500-550°С в течение 2-3 ч [RU 93055727 A].

Описано изобретение, которое относится к области очистки воды для хозяйственных, питьевых и технологических целей и может найти применение для очистки природных (подземных и поверхностных) и техногенных вод от органических соединений - гуминовых и фульвокислот, обуславливающих цветность воды. Способ очистки включает контактирование загрязненной воды с сорбентом, причем в качестве сорбента используют брусит. В предпочтительном варианте осуществления способа сорбцию проводят путем фильтрации через слой брусита. Предусмотрено также осуществление способа путем добавления брусита крупностью менее 0,1 мм в обрабатываемую воду с последующим отделением осадка. Изобретение обеспечивает высокое качество очистки воды и удешевление процесса за счет использования природного сорбента [RU 2315003 C1].

Описан композиционный сорбент, включающий пористый сорбционный материал с образованным в нем неорганическим сорбентом, отличающийся тем, что в качестве пористого сорбционного материала используют ионообменные смолы, активированный уголь или древесные опилки, а в качестве неорганического сорбента используют гидроксид железа, гидроксид циркония, гидроксид титана, гидроксид олова (IV) или их смеси [RU 2003108469].

Предлагается научно-техническое решение, которое относится к способам водоподготовки путем фильтрации через гранулированные природные материалы и может быть использовано в системе хозяйственно-бытового и питьевого водоснабжения, в том числе для производства питьевой воды высшей категории качества. Способ включает фильтрацию воды через слой гранулированного серпентита с размером гранул 0,15-2 мм и предварительной обработкой слоя серпентита щелочным раствором для преобразования в анионообменный материал. В качестве щелочного раствора используют раствор гидроксида натрия, калия, аммония или кальция, либо раствор карбоната натрия или калия, либо их через два или более последовательно расположенных слоев. Способ обеспечивает повышение сорбционной активности серпентита, расширяет ассортимент извлекаемых загрязняющих компонентов, гарантирует снабжение потребителя высокоочищенной водой, соответствие которой установленным требованиям достигается непосредственно в процессе очистки без усреднения ее состава и необходимости иметь для этого запас очищенной воды при увеличении продолжительности эксплуатации загрузки гранулированного материала [RU 2316479 C1].

Описано изобретение, которое относится к области подготовки воды для питьевых целей и может быть использовано на водопроводных очистных сооружениях, сооружениях для доочистки сточных вод и на других предприятиях коммунального хозяйства. Загрузка контактного фильтра содержит в качестве верхнего слоя фильтрующий сорбционный материал - опоки дробленные модифицированные марки ОДМ-2Ф с крупностью зерен 2,3-3,5 мм и плотностью 1,35 кг/м³, в качестве среднего слоя - антрацит дробленый крупностью зерен 1,5-2,3 мм и плотностью 1,6 кг/м³ и нижний слой - песок с крупностью зерен 0,7-1,5 мм и плотностью 2,6 кг/м³. Изобретение обеспечивает получение кондиционной питьевой воды с высокой производительностью [RU 2238787 C1].

Наиболее близким к заявленному является способ получения воды, в которой используется смесь для обезвреживания и литификации бытовых и промышленных отходов, донных осадков, шламов и нефтезагрязненных грунтов. Смесь для обезвреживания и литификации бытовых и промышленных отходов, донных осадков, шламов и нефтезагрязненных грунтов включает алюмосиликатную породу, известь и портландцемент и дисперсный органический сорбент при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Алюмосиликатная порода - 55-80;

Известь - 5-10;

Портландцемент - 10-30;

Дисперсный органический сорбент - 5-30.

В качестве дисперсного органического сорбента используется торф, древесная мука, мякина или сапропель [RU 2184095]. Этот способ взят нами в качестве прототипа.

Недостатком данного решения является использование извести, которая легко вымывается из смеси, в связи с чем резко ухудшаются ее сорбционные характеристики.

Нами предлагается способ получения сорбента для очистки воды сырьем, для получения которого служат отходы буровых работ в Каспийском море.

Методика получения сорбента ОБР-1

Отходы буровых работ в том виде, в каком они поступают на захоронение, при их влажности от 10 до 60% (грязь) смешивают с равным количеством портландцемента-500, т.е. в массовом соотношении 1:1. Если влажность смеси небольшая, то вносят соответствующее количество воды для получения однородной бетонной массы. Массе дают подсохнуть до состояния, когда из нее можно сформовать гранулы. Высушивают массу при температуре 25-40°С в токе воздуха, далее оставляют материал до полного схватывания, на что уходит 3-4 дня. При больших объемах производства можно использовать пропаривание острым паром в камерах для производства силикатного кирпича или бетонных изделий. Далее полученный материал выдерживают в проточной воде до тех пор, пока проба на хлорид-ион не будет отрицательной. Гранулы должны иметь диаметр от 15 до 20 мм.

Отходы бурения в Каспийском море - радиационно-безопасный продукт (имеется санитарно-эпидемиологическое заключение отдела надзора за радиационной безопасностью центра гигиены и эпидемиологии в г.Санкт-Петербург, протокол № 1864/06 от 01.11.2006).

Суммарная удельная эффективная активность составляет 78±10 Бк/кг при норме 370 Бк/кг.

Содержание основных компонентов в отходах бурения (в схватившихся, т.е. при 3-х дневном хранении), %: SiO ₂ - 39,88; Аl₂O₃ - 7,78; СаСО ₃ - 15,01; Н₂O - 27,45; соли - до 10.

Однако отходы содержат вместе с диоксидом кремния, каолином, карбонатом кальция и некоторыми другими оксидами также и значительное количество хлорида натрия, соли железа, цинка, кадмия и др. Результаты определения компонентов в отходах приводятся в табл.1

Таблица 1
Содержание компонентов в отходах буровых работ
№ п.п	Определяемые показатели	Нормативное содержание в грунтах, почвах сельхозугодий и материалах, используемых при производстве строительных материалов Сан-Пин 2.1.7.573-96	Результаты исследований шести образцов. Первая цифра - наименьшее, вторая - наибольшее содержание
1.	рН солевой вытяжки, ед. рН	6,0-9,7	8,5-8,8
2.	Нефтепродукты, мг/кг	10,0	0,50-0,95
3.	СПАВ, мг/кг	5,0	0,05-1,2
4.	Хлориды, мг/кг	1500 (для песка)	25000-38000
5.	Сульфаты, мг/кг	10000 (песок, бетон)	790-950
6.	Фосфаты, мг/кг	Не нормировано	10,0-15,0
7.	Сухой остаток после извлечения солевой водой и упаривания воды, мг/кг		45000-60000
8.	Железо подвижное, мг/кг	10,0	5,0-6,5
9.	Цинк подвижный, мг/кг	Не более 23,0	1,4-2,9
10.	Свинец подвижный, мг/кг	Не более 32,0	0,10-0,15
11.	Кадмий подвижный, мг/кг	Не более 1,0	0,005-0,01
12.	Ртуть общая, мг/кг	Не более 2,1	0,003-0,005
13.	Никель подвижный, мг/кг	1,0	0,035-0,040
14.	Марганец подвижный, мг/кг	2,0	1,0-5,0
15.	Мышьяк, мк/кг	Не более 0,05	0,045-0,050
16.	Хром подвижный, мг/кг	0,05	0,01-0,02
17.	Медь подвижная, мг/кг	3.0	0,25-0,35

Гигиеническая оценка сорбента ОБР-1 для очистки воды в системе хозяйственно-питьевого водоснабжения

Гигиеническая оценка сорбента для очистки воды в системе хозяйственно-питьевого водоснабжения проводилась согласно ТУ 2641-001-51652069-2001 с учетом методических указаний по гигиенической оценке материалов, реагентов, оборудования, технологий, используемых в системе водоснабжения МУ 2.1.4.783. Полученные результаты исследований приведены в табл.2.

Таблица 2
Показатели качества воды (водных вытяжек) в статическом эксперименте. Вода водопроводная дочищенная с солесодержанием 200 мг/дм 3, температура воды - (25±5)°С, время настаивания 1-30 суток (1-я серия исследований), сорбент для очистки воды ОБР-1
Показатели	Гигиенический норматив	Сутки наблюдения
Тотчас	1	3	5	10	20	30
Запах, баллы	2
Проба		-	0-1	0-1	0-1	0-1	0-1	0-1
Контроль		0-1	0-1	0-1	0-1	0-1	0-1	0-1
Привкус, баллы	2
Проба		-	0-1	0-1	0-1	0-1	0-1	0-1
Контроль		0-1	0-1	0-1	0-1	0-1	0-1	0-1
Цветность, градусы	20
Проба		-	1	1	1	1	0	0
Контроль		2	1	-	-	2	2	2
Мутность	1,5
Проба		-	0,4	0,3	-	0,15	0,12	0,10
Контроль		<0,1	<0,1	<0,1	-	<0,1	<0,1	<0,1
рН, условные единицы	>6 9
Проба		-	7,6	7,40	7,40	7,40	7,40	7,40
Контроль		7,5	7,45	7,45	7,45	7,40	7,40	7,40
Перманганатная окисляемость, мгО2дм3	<5
Проба		3,9	3,9	3,9	3,9	4,0	4,15	4,15
Контроль		3,9	3,9	4,0	4,12	4,16	4,16	4,16
Аммонийный азот, мг/дм3	<2
Проба		-	-	-	-	-	-	0,96
Контроль		0,1	-	-	-	-	-	0,2
Нитриты, мг/дм3	<3
Проба		-	-	-	-	-	-	0,44
Контроль		0,1	-	-	-	-	-	0,07
Нитраты, мг/дм 3	<45 (50)
Проба		-	-	-	-	-	-	3,25
Контроль		1,3	-	-	-	-	-	3,5

Как видно из табл.2, исследуемый материал не ухудшает органолептических свойств воды (отсутствие постороннего запаха и привкуса водных вытяжек, практически не изменялась величина цветности по сравнению с контролем).

Анализ содержания неорганических примесей в водной вытяжке на 30-е сутки опыта показал (2-я серия исследований), что миграция неорганических веществ - токсичных металлов I и II класса опасности (алюминия, бария, кадмия, никеля, молибдена, кобальта, ванадия, титана, ниобия, свинца) практически отсутствовала, а также не выявлена миграция металлов, влияющих на органолептические свойства воды (железо, марганец, медь) (табл.3).

Таблица 3
Содержание неорганических примесей в водных вытяжках из сорбента ОБР-1 для очистки воды. Вода дистиллированная, температура воды (37±2)°С, время настаивания 30 суток (2-я серия исследований)
№ п/п	Наименование примесей	Гигиенический норматив, мг/дм3	Концентрация примесей, мг/дм3
1	Алюминий	<0.5	0,01
2	Барий	<0,1	0,005
3	Хром	<0,05	0.01
4	Никель	<0,1	0,001
5	Кадмий	<0,001	0,0001
6	Свинец	<0,03	0,010
7	Мышьяк	<0,05	0,0005
8	Цинк	<3	0,020
9	Кальций	<0,5	0,010
10	Магний	<0,5	0,040
11	Железо	<0,3	0,010
12	Марганец	<0,1 (0,5)	0,008
13	Медь	<1	0,010

Экспериментальные исследования по изучению влияния исследованных образцов сорбента ОБР-1 на рост и развитие микрофлоры проведено на указанном сорбенте, предварительно тщательно промытом и залитом дехлорированной водопроводной водой после термостатирования в течение суток с последующим внесением естественного микробиоценоза загрязненных водоемов. Для контроля также использовалась дехлорированная водопроводная вода с внесением естественного микробиоценоза загрязненных водоемов. Пробы воды из сосуда с сорбентом и контролем исследовались согласно Сан-Пин 2.1.4.1074-01.

Таблица 4
Влияние сорбента ОБР-1 на рост микрофлоры в воде
Экспозиция	Вариант опыта	ОКБ/100 см3	ТКБ/100 см3	ОМЧ (37°С)
1 час	Контроль	100	105	110
	Опыт	80	105	90
1 сут	Контроль	5,0	0	0,5·104
	Опыт	0	0	0,6·10 4
2 сут	Контроль	0	0	2,0·10 4
	Опыт	0	0	2,8·10 4
3 сут	Контроль	0	0	3,5·10 4
	Опыт	0	0	2,0·10 4
20 сут	Контроль	0	0	0,5·10 4
	Опыт	0	0	0,7·10 4
30 сут	Контроль	0	0	0,7·10 4
	Опыт	0	0	0,8·10 4

Как видно из полученных данных (табл.4), через одни сутки происходит снижение содержания микроорганизмов (общие колиформные бактерии (ОКБ), термотолерантные колиформные бактерии (ТКБ)) как в контроле, так и в опыте. Интенсивный рост микробного числа (ОМЧ) на исследованном сорбенте наблюдался на третьи сутки, причем в опыте наблюдался более значительный пик, что подтверждают и данные по увеличению содержания аммонийного азота в опыте по сравнению с контролем. На двадцатые и тридцатые сутки наблюдалось естественное отмирание микрофлоры, причем сорбент замедлял процесс отмирания. Развитие микрофлоры на исследованном образце в процессе биообрастания подтверждает целесообразность при необходимости периодического или на постоянной основе обеззараживания обработанной на нем воды одним из общепринятых дезинфекционных методов.

Была изучена сорбция различных токсикантов на сорбенте ОБР-1. Проверка эффективности очистки воды сорбентом ОБР-1 показала (табл.5), что ОБР-1 обладает высокой поглотительной способностью к токсичным металлам и органическим соединениям.

Таблица 5
Эффективность очистки воды от токсичных металлов и органических соединений сорбентом ОБР-1
Определяемый показатель	Содержание, мг/дм5	Эффективность очистки, %
До сорбции	После сорбции
Токсичные металлы
Свинец	10,50	0,01±0,005	99,9
Кадмий	6,50	0,006±0,0006	99,9
Цинк	3,50	0,003±0,0003	99,9
Ртуть	9,15	0,001±0,00005	99,9
Медь	5,0	0,003±0,0004	99,9
Кобальт	5,0	0,003±0,0004	99,9
Хром (III)	1,0	0,005±0,0005	99,5
Хром (IV)	3,0	0,005±0,0005	99,8
Органические загрязнители
Бензол	5±0,1	0,01±0,005	99,8
Бенз( )пирен	0,25±0,05	0,00025	99,9
Фенол	1±0,01	0,001±0,0005	99,9
Формальдегид	1±0,01	0,001±0,0005	99,9
2,4-дихлорфенол	0,5±0,01	0,0005±0,0001	99,9
2,4-динитрофенол	0,5±0,01	0,0005±0,0001	99,9
Нитробензол	0,0005	Не обнаружено	99,9

Таким образом, на основании органолептических, физико-химических, экспресс-токсикологических исследований можно сделать заключение о возможности получения экологически чистого алюмосиликатного сорбента ОБР-1, предназначенного для очистки воды от ионов тяжелых металлов и ряда органических соединений в системе хозяйственно-питьевого водоснабжения.