Способ очистки воды

 

Изобретение относится к сорбционным способам очистки воды и может быть использовано в процессах водоподготовки, в частности, в бытовых установках для получения питьевой воды. Сущность изобретения: способ заключается в обработке исходной воды (природной, водопроводной) смесью сильноосновного анионита на полистирольной основе в ОН^--форме с гелевой структурой, отмытого до ХПК не более 2,0 мг О₂ / дм³, и слабокислотного карбоксильного катионита в Н⁺-форме с макропористой структурой с определенными распределением пор по радиусам при соотношении анионита и катионита по объему, равном 2:1. Достигается комплексная очистка воды от металлов, жесткости, органических веществ, бактерий в динамических условиях. Ресурс смеси при очистке воды в бытовых установках не менее 1 года. 1 табл.

Изобретение относится к очистке природных и водопроводных вод от химических загрязнений сорбционными методами и может быть использовано в процессах водоподготовки, в частности в бытовых установках для получения питьевой воды.

Известно, что практически все природные источники воды, особенно в населенных местах, загрязнены химическими соединениями как природными, так и внесенными в воду в результате деятельности человека. Химические соединения, содержащиеся в воде, часто не безвредны для здоровья особенно это касается тяжелых металлов, органических соединений (нефть, гербициды, пестициды).

Даже водопроводная вода, соответствующая нормам ГОСТа, часто не удовлетворяет потребителя по органолептическим характеристикам.

В зависимости от загрязнений вода подвергается очистке различными способами. Ее пропускают (фильтруют) через активированный уголь, синтетические сорбенты, ультрафильтрующие мембраны.

Обычно каждый тип очистителя воды освобождает воду от какого-либо одного вида загрязнений. Так, водоочистительная насадка "Родник" с активированным углем позволяет удалять из водопроводной воды ряд органических соединений, но не освобождает ее от ионов жесткости, тяжелых металлов, анионов.

Известен фильтрующий материал для улучшения качества питьевой воды в бытовых условиях, содержащий слой природного сорбента, слой смеси катионообменной и анионообменной смолы [1] Степень очистки воды этим способом недостаточна.

Известен способ очистки воды, в котором воду пропускают через насадку, содержащую уголь, ионообменный фильтр, представляющий собой сополимер стирола и дивинилбензола, а также субмикронный фильтр. При этом достигается очистка, в частности, от бактерий [2] Недостатком способа является сложность (многослойность) используемой фильтрующей насадки, отсутствие очистки от ионов металлов.

Известен способ очистки питьевой воды от токсичных компонентов, в котором воду пропускают через фильтрующий материал, содержащий фосфат циркония, волокнистый материал, например, вискозу, импрегнированный ферроцианидом, активированный уголь. Степень очистки от свинца составляет 97-98% от фенола 95-96% [3] Недостатком способа является недолговечность используемого материала, причем деструкция сопровождается появлением в воде тяжелого металла циркония, цианид-ионов, имеет место быстрое снижение поглощающей способности фильтрующего материала.

Наиболее близким техническим решением является способ очистки воды, который включает обработку воды смесью равных объемов слабокислотного карбоксильного катионита на основе метакриловой кислоты и сильноосновного анионита на полистирольной основе. Сорбент используют в статических условиях. При этом достигается очистка воды от цианид- и роданид-ионов, меди, цинка, железа [4] Недостатком известного способа является недостаточно глубокая очистка от металлов, отсутствие очистки от органических примесей, т.е. невозможность использования полученной воды в качестве питьевой, низкая эффективность сорбента при использовании в динамическом режиме, поскольку сорбент используют в виде гранул неопределенной формы, которые при пропускании воды под напором разрушаются, смола деструктурируется, эффективность сорбции снижается.

Задачей изобретения является повышение степени и комплексности очистки воды, повышение эффективности процесса при его проведении в динамических условиях, а также удлинение срока службы фильтрующей насадки.

Для этого обработку воды ведут смесью слабокислотного карбоксильного катионита в Н⁺-форме, обладающего макропористой структурой, с распределением пор по размерам радиуса: 45-50% 1-9˙10⁴ нм, 30-35% 1-5˙10² нм, остальное менее 1˙10² нм, и сильноосновного анионита в ОН^--форме на полистирольной основе, имеющего гелевую структуру, предварительно отмытого до конечного показателя ХПК промывной воды не более 2 мг О₂/дм³. При этом отношение анионита к катиониту (объемное) в смеси составляет 2:1.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем.

Использование в фильтрующей насадке слабокислотного карбоксильного катионита, взятого в форме сферических гранул, имеющих макропористую структуру с определенным распределением пор по размеру их радиуса приводит к увеличению полной обменной емкости в 2 раза за счет использования активных групп на внутренней поверхности пор. Это позволяет увеличить степень поглощения ионов металлов из воды, а также извлечь из воды органические примеси нейтрального типа за счет физической адсорбции, которая происходит вследствие наличия на поверхности пор неионогенных звеньев.

Хемосорбцию органических соединений кислотного и основного типа обеспечивают карбоксильные группы смолы, а нейтральные органические соединения не задерживают ни катионит, ни анионит, взятые в обычной промышленной форме.

Использование сильноосновного анионита с гелевой структурой обеспечивает тесный контакт со сферическими гранулами катионита. При этом близкое пространственное расположение активных групп противоположного знака позволяет эффективно извлекать из воды трудноудалимую примесь сильногидратированного коллоидного железа за счет разрушения многослойной гидратной оболочки его частиц.

Объемное соотношение анионита к катиониту, набухших после водной обработки, равное 2:1, выбрано с учетом полной обменной емкости и удельнoго набухания смол и обеспечивает нейтральную реакцию очищенной воды.

В предлагаемом способе используют сильноосновный анионит, предварительно отмытый от мономеров, аминов, остающихся в смоле после синтеза до их остаточного содержания, которое характеризуется суммарным показателем окисляемости органических веществ в промывной воде кислородом (химический показатель кислорода ХПК) и не должно превышать 2,0 мг О₂/дм³ промывной воды. Отмывку смолы ведут последовательной обработкой промышленной смолы 10%-ными растворами НСl, NaОН с промежуточными и конечной промывками водой.

Повышение эффективности процесса достигается за счет увеличения водной нагрузки на сорбент. В известном способе соотношение вода:сорбент составляет (10-20): 1, а в предлагаемом 140:1, т.е. для достижения равнозначной степени очистки требуется значительно меньше сорбента.

Использование отмытого анионита исключает его гидролиз в процессе пропускания воды, т.е. попадание в питьевую воду органических радикалов, а также повышает степень очистки воды от анионов.

П р и м е р 1. В качестве исходной воды используют модельный раствор, соответствующий составу природной воды, в которой содержание примесей по сравнению с водопроводной водой повышено в 10-100 раз.

В качестве фильтрующего материала используют смесь набухшего сильноосновного анионита на полистирольной основе гелевой структуры в ОН^--форме, предварительно отмытого от водорастворимых органических остатков синтеза до ХПК промывной воды 1,8 мг О₂/дм³ в количестве 200 дм³, с 100 дм³ набухшего слабокислотного карбоксильного катионита макропористой структуры в Н⁺-форме, имеющего распределение пор по размеру их радиуса: 49% 1-9˙10⁴ нм, 32% 1-5˙10² нм, остальное (19% ) менее 1˙10² нм. Катионит имеет вид гранул правильной сферической формы и обладает механической прочностью.

Смесь сорбентов, подготовленных указанным способом, помещают в водоочистительное устройство в виде цилиндрической емкости, в которую снизу под напором подают исходную воду со скоростью 0,2 дм³ в мин. Всего в данном опыте пропущено 140 колоночных объемов воды. Последнюю порцию воды анализируют и сравнивают с исходным составом. Составы исходной и очищенной воды приведены в таблице.

П р и м е р 2. В качестве исходной воды взята вода одного из подземных источников Подмосковья. Процесс очистки воды аналогичен описанному в примере 1. Состав исходной и очищенной воды приведен в таблице.

Цветность полученной воды снижается с 30 до 10^о, показатель мутности снижается с 3 до 1,5 мг/дм³.

Способ позволяет доочистить водопроводную воду, улучшить ее органолептические характеристики. Поскольку состав водопроводной воды соответствует ГОСТу, то количество примесей в воде определяют после их накопления на смоле за 30-40 сут.

Ресурс смолы при ее объеме 0,3 дм³ в условиях использования для дополнительной очистки московской водопроводной воды при скорости пропускания 0,2 дм³/мин составляет 5000 дм³.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет очистить до значений ниже норм ПДК для питьевой воды как природную, так и сильнозагрязненную воду с эффективностью 90-99% Состав может быть многократно использован, он выдерживает до 100 циклов сорбции регенерации. Одна загрузка состава в бытовом фильтрующем элементе служит для получения питьевой воды не менее 1 года.

Кроме того, способ, в котором используют смесь смол указанной структуры, дает возможность получать обеззараженную воду, так как она обладает бактерицидным действием, особенно после накопления в ней ионов тяжелых металлов, убивающих бактерии. Поэтому даже при исчерпывании ресурса смол по отношению к тяжелым металлам и солям жесткости, ее бактерицидное действие сохраняется.

Формула изобретения

Способ очистки воды, включающий ее обработку смесью сильноосновного анионита на полистирольной основе в ОН^- форме и слабокислотного карбоксильного катионита в Н⁺-форме, отличающийся тем, что сильноосновный анионит используют с гелевой структурой, отмытый до ХПК промывной воды не более 2 мг 0₂/дм³, слабокислотный катионит используют с макропористой структурой при распределении пор по радиусам: 45 - 50% (1 9) · 10⁴ нм, 30 35% (1 5) · 10² нм, остальное менее 1 · 10² нм, а обработку воды проводят при объемном соотношении анионита и катионита в смеси 2 1.

РИСУНКИ

Рисунок 1