способ очистки сточных вод от ионов алюминия

Формула изобретения

1. Способ очистки сточной воды от ионов алюминия, включающий стадию обработки воды фосфатом натрия и стадию отделения осадка, содержащего фосфат алюминия, отличающийся тем, что обработку воды фосфатом натрия осуществляют в присутствии фибриллированных волокон целлюлозы, взятых количестве 100 мас.ч. на 100-900 мас.ч. фосфата алюминия, причем не менее 94 мас.% используемых волокон имеют длину не более 1,23 мм и не менее 54 мас.% волокон имеют длину не более 0,6 мм, при этом удержание воды упомянутыми волокнами составляет не более 4 мл/г, а отделение образовавшегося осадка осуществляют напорной флотацией.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что производят предварительную обработку сточной воды путем частичного осаждения ионов алюминия раствором гидроксида натрия в присутствии фибриллированных волокон целлюлозы с отделением образовавшегося осадка напорной флотацией, причем упомянутую предварительную обработку осуществляют в один или два последовательных приема.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологиям очистки сточных вод от растворенных соединений алюминия и может быть использовано в различных отраслях промышленности.

Известен способ осаждения алюминия из водных растворов путем их обработки раствором натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы в эквимолярном количестве по отношению к концентрации ионов алюминия (а.с. 808377, МПК C02F 1/58, опубл. 28.02.1981 г.). В результате обработки выпадает осадок, который отфильтровывают, прокаливают и получают окись алюминия.

Недостатками способа являются его сложность, а также необходимость использования дорогого реагента.

Известен способ очистки сточных вод от алюминия, в котором в воду сначала подают жидкое стекло, затем ее подщелачивают известковым молоком до pH 10-11 и продувают диоксидом углерода (а.с. 789416, МПК C02F 1/58, опубл. 23.12.1980 г.). Выделившийся осадок содержит Al(OH)₃, CaCO₃, Al₂(SiO ₃)₃, CaSiO₃. Осадок высушивают, обжигают и получают технический алюминат кальция.

Недостатком способа является его высокая сложность.

Ближайшим по технической сущности и назначению к предлагаемому изобретению является способ очистки сточных вод от соединений алюминия путем обработки солями фосфорных кислот с последующим отделением образующегося осадка фильтрованием или в отстойниках без фильтрации (RU 2164895, МПК C02F 1/58, C02F 101/10, опубл. 10.04.2001 г.).

Недостатком способа является возможность его использования лишь при низких концентрациях алюминия в сточной воде. При обработке воды с более высокой концентрацией алюминия, например 100 мг/л, и, соответственно, пропорционально большем количестве выделяемого осаждением фосфата алюминия осадок образует плохо отфильтровывающийся или не поддающийся обработке гидрозоль.

Новым положительным результатом от использования предлагаемого изобретения является обеспечение возможности очищать сточные воды с любой встречающейся на практике концентрацией растворимых соединений алюминия, а также получения содержащих алюминий нерастворимых продуктов очистки с заданными характеристиками.

Указанные результаты достигаются тем, что в способе очистки сточной воды от ионов алюминия, включающем стадию обработки воды фосфатом натрия и стадию отделения образовавшегося осадка, содержащего фосфат алюминия, согласно изобретению, обработку воды фосфатом натрия осуществляют в присутствии фибриллированных волокон целлюлозы, взятых в количестве 100 мас.ч. на 100-900 мас.ч. фосфата алюминия, причем не менее 94 мас.% используемых волокон имеют длину не более 1,23 мм и не менее 54 мас.% волокон имеют длину не более 0,6 мм, при этом удержание воды упомянутыми волокнами составляет не более 4 мл/г, а отделение образовавшегося осадка осуществляют напорной флотацией. Можно также проводить предварительную обработку сточной воды путем частичного осаждения ионов алюминия раствором гидроксида натрия в присутствии фибриллированных волокон целлюлозы с отделением образовавшегося осадка напорной флотацией, причем упомянутую предварительную обработку осуществлять в один или два последовательных приема.

При увеличении длины ФЦВ их сорбционная емкость снижается, при уменьшении размеров волокон и соответствующем повышении водоудержания возникают осложнения в процессах переработки флотошлама. Такие же осложнения возникают при количестве сорбированных на ФЦВ частиц более 900 мас.ч. на 100 мас.ч. волокон. При очистке воды в две или более ступеней на последней ступени предпочтительно использовать в качестве реагента фосфат натрия, поскольку случайный небольшой избыток этой соли не приведет к повышению щелочности воды.

Для выполнения способа, например, с двумя ступенями очистки, используют установку, блок-схема которой изображена на фиг.1, где 1 и 5 - смесители, 2 и 6 - реакторы, 3 и 7 - сатураторы, 4 и 8 - флотаторы.

Готовят дисперсию ФЦВ, которая содержит, в расчете на массу волокон, не менее 94% волокон с длиной не более 1,23 мм и не менее 54% волокон с длиной не более 0,6 мм. Готовят также растворы гидроксида натрия и фосфата натрия (Na₃PO₄). В смеситель 1 в заданных количествах подают подлежащую очистке воду с известным содержанием ионов алюминия и дисперсию ФЦВ. Поток из смесителя 1 направляют в реактор 1, в который подают также гидроксид натрия в количестве, например, эквивалентно равном 70% содержания в воде алюминия. В реакторе происходит реакция между ионами Al³⁺ и OH^- , в результате которой образуются наноразмерные нерастворимые в воде частицы Al(OH)₃. Эти частицы в дисперсии под действием сил стяжения прочно закрепляются на фибриллах целлюлозы, которые обладают высокой активностью к взаимодействию как с новообразованными частицами, так и друг с другом. Благодаря высокой активности фибриллы с закрепленными на них частицами способны в 15-20 секунд образовывать флоккулы, в 20-40 секунд - хорошо флотируемые хлопья.

Дисперсию далее подают в сатуратор 3, где ее под давлением, например, в 2 атм, насыщают воздухом и сатурированную дисперсию направляют в водораспределитель (на схеме не показан), установленный в камере флотатора. Его конструкция обеспечивает сброс давления до нормального и равномерное распределение воды по всему объему флотокамеры. Выделяющиеся из воды при нормальном давлении пузырьки воздуха флотируют к поверхности воды флоккулы и быстро формирующиеся хлопья. Накапливающийся слой флотошлама отбирают и направляют на переработку.

Используемые в способе фибриллированные целлюлозные волокна и образующийся в процессе флотошлам обладают уникальными для флотационной технологии свойствами. Образующиеся при реагентной обработке воды в межволоконных зазорах и порах пучков фибрилл нерастворимые частицы соединений металлов оказывают расклинивающее воздействие на эти пучки. Поэтому количество фибрилл, способных быстро формировать флоккулы и затем хлопья, в дисперсии увеличивается, скорость образования флоккул, размеры хлопьев, а также суммарная емкость сорбента также значительно увеличиваются.

Флоккулы, хлопья, флотошлам при своем образовании и движении к поверхности воды захватывают ультрамелкие частицы различного происхождения как образовавшиеся в процессе обработки воды, так и изначально присутствующие в ней, например, частицы солюбилизированного диоксида кремния, то есть работают как собиратели твердых компонентов.

Структура и физические свойства упомянутых образований из волокон способствуют удержанию в них пузырьков воздуха, то есть фибриллированные целлюлозные волокна в системе работают еще и как флотоагент.

При удалении флотошлама с поверхности воды черпаками часть хлопьев разрушается. В обычных технологиях с использованием в качестве коагулянта, например, полиакриламида или сульфата алюминия, частицы разрушенных хлопьев вновь их образовать не способны и выносятся с потоком воды. Флотошлам, полученный по предлагаемой технологии, разбавленный и перемешанный при высокой скорости, превращается в однородную дисперсию без каких-либо признаков наличия флоккул. Однако за 15-40 сек в системе вновь образуются хорошо флотируемые флоккулы и хлопья.

Еще один важный фактор. Твердые вещества флотошлама - это композиционный материал, состоящий из целлюлозных фибриллированнных волокон и прочно связанных с ними наноразмерных частиц Al(OH)₃ или AlPO₄ . Мелкие волокна и частицы в отдельности - упрочняющие компоненты во многих композиционных материалах, в том числе на основе различных полимеров. Вместе они большей частью дают синергетический эффект, например, целлюлозные волокна, модифицированные минеральными частицами - это эффективная добавка в бумажную массу при получении зольных видов бумаги.

С учетом этого фактора на ступенях очистки воды можно получать композиционный материал с Al(OH)₃ или AlPO₄ или с различными соотношениями количеств волокно/минеральный компонент для различных областей их применения.

Обязательные стадии переработки флотошлама - это его сгущение и промывка от образующихся в процессе обработки воды солей натрия - сульфата или хлорида. Сгущение можно проводить путем отжима на центрифуге или фильтрпрессе. Промывку сгущенного шлама целесообразно проводить путем его разбавления и выделения из разбавленной дисперсии методом флотации. Вновь полученный флотошлам можно без его дополнительной переработки использовать в производстве зольной бумаги. Этот же флотошлам можно также высушить, измельчить и получить упрочняющий наполнитель. В результате обжига композиционного материала с Al(OH)₃ получают Al₂O₃. Обработка композиционного материала с AlPO₄ уксусной кислотой дает ацетат алюминия, используемый в качестве протравы при крашении тканей или в медицине в качестве примочек.

Следующие примеры иллюстрируют возможности предлагаемого способа очистки воды от ионов алюминия.

Для выполнения примеров готовят модельные растворы сульфата и хлорида алюминия, алюмокалиевых квасцов, гидроксида и фосфата натрия, дисперсию ФЦВ. Определяют максимальную емкость при сорбции Al(OH)₃ и AlPO₄, а также «техническую» емкость, превышение которой приводит к появлению осложнений при обезвоживании флотошлама. Максимальная емкость в отношении Al(OH) ₃ - не менее 1500 мас.ч. на 100 мас.ч. ФЦВ, в отношении AlPO₄ - не менее 1200 мас.ч. Приемлемая для процессов флотации и обезвоживания флотошлама емкость по этим веществам - до 1000 мас.ч. на 100 мас.ч. ФЦВ.

При обработке воды с низким содержанием Al достаточна одна ступень обработки с использованием смесителя 1, реактора 2, сатуратора 3 и флотатора 4.

Пример 1. Обработке подвергают воду с Al ₂(SO₄)₃ при содержании Al 5 мг/л. В смеситель 1 подают воду и дисперсию ФЦВ в количестве 50 мг/л в расчете на сухие волокна. Дисперсию из смесителя направляют в реактор 2, куда подают в качестве реагента Na₃PO ₄ в количестве, стехиометрически равном содержанию в воде Al. Далее вода поступает в сатуратор 3, где ее насыщают воздухом при давлении 2 атм. Воду из сатуратора подают во флотатор 4. Образующийся в нем флотошлам накапливается на поверхности воды в виде флотослоя. При определенной массе этого слоя его из камеры выводят переливом или же его отбирают черпаками. В начале процесса весь флотошлам подают в смеситель 1 (на фиг. это показано штрихпунктирной линией), при этом подачу свежих ФЦВ прекращают. При достижении (по расчету) заранее выбранного соотношения ФЦВ/AlPO₄ , равного, например, 100:100-150 (в мас.ч.), часть флотошлама начинают отбирать на переработку, а в смеситель 1 начинают подавать в таком же количестве свежие ФЦВ. Это рабочий режим работы системы. В выводимой из флотатора с самого начала процесса очищенной воде Al отсутствует. Флотошлам обезвоживают, промывают от сульфата натрия, снова обезвоживают, сушат, измельчают и получают наполнитель для полимерных композиционных материалов.

Пример 2. Очищают воду, содержащую 250 мг/л алюминия в виде AlCl ₃. В смеситель 1 подают эту воду и дисперсию ФЦВ в количестве 80 мг/л в расчете на сухое волокно. В реакторе 2 в дисперсию добавляют NaOH в количестве, стехиометрически равном 150 мг Al. В сатураторе воду насыщают воздухом и подают во флотатор. Флотошлам выводят из камеры флотатора и подают на переработку. Его сухие вещества содержат в расчете на 100 мас.ч. ФЦВ, 540 мас.ч. Al(OH) ₃. Осветленную воду подают в смеситель 5 и добавляют в нее ФЦВ в количестве, в расчете на сухое волокно, 50 мг/л. В реакторе 6 в воду добавляют Na₃PO₄ в количестве, стехиометрически равном 100 мг Al. Флотошлам из флотатора 8 содержит, в расчете на 100 мг ФЦВ, 900 мг AlPO₄. Обе порции флотошлама обезвоживают, промывают от хлористого натрия, снова обезвоживают. Первую порцию флотошлама прокаливают и получают Al₂O₃, из второй порции путем ее обработки уксусной кислотой получают ацетат алюминия.

В обработанной воде алюминий отсутствует.

Пример 3. Очищают воду, содержащую 400 мг/л алюминия в виде KAl(SO ₄)₂, при этом используют три ступени очистки, и установка, соответственно, дополнительно содержит смеситель, реактор, сатуратор и флотатор. В смеситель 1 подают воду и дисперсию ФЦВ в количестве 80 мг на 1 л воды. В реакторе 2 в воду добавляют NaOH в количестве, стехиометрически равном 150 мг Al. В сатураторе 3 воду насыщают воздухом и подают во флотатор 4. Флотошлам из него выводят и направляют на переработку. Его сухие вещества содержат, в расчете на 100 мас.ч. ФЦВ, 540 мас.ч. Al(OH) ₃. Осветленную воду подают в смеситель 5 и добавляют в нее ФЦВ в количестве 80 мг/л. В реакторе в воду добавляют NaOH в количестве, стехиометрически равном 150 мг Al. Смесь направляют в сатуратор 7 и затем во флотатор 8. Флотошлам на этой ступени содержит, в расчете на 100 мас.ч. ФЦВ, 540 мас.ч. Al(OH) ₃. Осветленную во флотаторе воду направляют в смеситель следующей секции (на Фиг. не показан), в котором в воду добавляют 50 мг/л ФЦВ. В следующем реакторе в воду добавляют Na₃ PO₄ в количестве, стехиометрически равном 100 мг Al. Смесь направляют в сатуратор, далее во флотатор. Флотошлам на этой ступени содержит, в расчете на 100 мг ФЦВ, 900 мг AlPO ₄. В очищенной воде алюминий отсутствует.