Способ очистки воды открытых водоемов от закисления и ионов тяжелых металлов

 

Изобретение относится к способам очистки воды. Сущность изобретения заключается в том, что в качестве реагента для обработки воды используют серпентиновый продукт с содержанием серпентиновых минералов 80 - 95 мас.% и крупностью частиц 0,02 - 0,20 мм при расходе реагента 0,1 - 15,0 г/л, при этом перед обработкой воды реагент подвергают термоактивации при 650 - 820^oС. Способ обеспечивает глубокую очистку открытых водоемов от закисления и ионов тяжелых металлов при исключении вторичного загрязнения, остаточные концентрации тяжелых металлов либо ниже ПДК, либо приближаются к этим показателям. 10 табл.

Предлагаемое изобретение относится к способам очистки воды и может быть использовано при очистке открытых водоемов, в том числе природных, от закисления и загрязнений ионами тяжелых металлов вследствие кислотных дождей, аварийных сбросов горнодобывающих предприятий и неконтролируемого вторичного загрязнения из заскладированных горнопромышленных отходов.

Известен способ очистки воды (авт.св. СССР N 1606462, кл. C 02 F 1/66, 1990), включающий введение нейтрализующего реагента - известкового молока, перемешивание, последующее отделение осадка от жидкой фазы, уплотнение и обезвоживание осадка. Для увеличения скорости осветления воды дозу нейтрализующего реагента делят на 3-5 равных частей, каждую из которых вводят в течение 2-3.3 с при общем времени перемешивания 6 мин. Такой способ позволяет существенно повысить скорость свободного осаждения образующейся твердой фазы. Данное изобретение предназначено для очистки воды от неорганических кислот, ионов железа и алюминия.

Однако такой способ неприемлем для открытых природных водоемов. Прежде всего в открытых водоемах практически невозможно организовать перемешивание, вследствие чего локальная концентрация реагента может превысить предельно допустимый уровень и неблагоприятно воздействовать на экосистему водоема. Кроме того, такой способ очистки эффективен при высоких концентрациях загрязняющих веществ. При низких концентрациях последних, близких к ПДК, частицы образующихся твердых продуктов чрезвычайно тонкодисперсны и скорость их оседания значительно снижается. Так как в природных водоемах исключается возможность отделения и удаления образовавшихся твердых продуктов, при реализации указанного способа существует опасность вторичного загрязнения вследствие волнения и изменения pH среды.

Известен способ очистки воды адсорбцией на частицах кальцита, используя фракцию мельче 150 мкм при расходе реагента от 2 до 120 г/л (Ш.Б.Батталова, А.А.Ликерова, Х.Г.Табанова, М.Х. Жаксылыкова. Применение природных сорбентов для охраны окружающей среды // Изв. АН Казахской ССР. - 1989. - N. 3. - С. 83-87). Способ позволяет практически полностью очищать сточные воды от ионов тяжелых металлов - Hg, Cd, Pb, Zn и Cr.

Недостатком способа является то, что он не может применяться для природных водоемов, так как предполагает проведение очистки при повышенных температурах (90-95^oC).

Известен также способ очистки воды открытых водоемов от закисления и ионов тяжелых металлов (пат. РФ N 2081839, кл. С 02 F 1/66, 1997) путем обработки воды реагентом, в качестве которого используют карбонатит с содержанием карбоната кальция 75-86 мас. % при суммарном содержании карбонатов в реагенте 80-95 мас.% и расходе реагента 0.05-10.00 кг/м³. Использование крупности частиц реагента с максимальным размером не более 0.2 мм, а минимальным, обеспечивающим время оседания частицы на дно водоема в течение не более 1 ч, позволяет своевременно выводить в осадок продукты реакции.

Недостатки способа заключаются в том, что он эффективен при очистке от загрязнений ионами металлов с концентрацией последних существенно (на 2 порядка и более) выше ПДК. При более низких исходных концентрациях очистка этим реагентом оказывается неэффективной. Кроме того, при применении этого способа не удается достичь необходимой глубины очистки: остаточные концентрации значительно превосходят ПДК. Например, для водоемов рыбохозяйственного назначения ПДК для ионов никеля составляет 0.01, для меди - 0.001 мг/л, а остаточные концентрации никеля имеют значения 0.72-1.07, меди - 0.04 мг/л.

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи обеспечения более глубокой очистки открытых водоемов от закисления и ионов тяжелых металлов при исключении вторичного загрязнения, обусловленного внесением реагента.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе очистки воды открытых водоемов от закисления и ионов тяжелых металлов путем обработки воды реагентом с крупностью частиц 0.02-0.20 мм согласно изобретению в качестве реагента используют серпентиновый продукт с содержанием серпентиновых минералов 80-95 мас.% при расходе реагента 0.1-5.0 г/л, а перед обработкой воды реагент подвергают термоактивации при температуре 650-820^oC.

Применение в качестве нейтрализующего реагента термически активированного серпентинового продукта обусловлено тем, что он отличается высокой активностью взаимодействия с неорганическими кислотами, но малорастворим в воде, причем в процессе гидратации переходит в устойчивое в гипергенных условиях и безопасное для экосистемы соединение - серпентин. Цветные металлы и железо, взаимодействуя с реагентом, образуют силикаты, устойчивые в гипергенных условиях, что препятствует вторичному загрязнению. При выборе интервала температур термоактивации учитывали тот факт, что при температуре ниже 650^oC серпентиновые минералы переходят в метастабильную химически активную фазу, а при температуре выше 850^oC возникают высокомолекулярные химически устойчивые кристаллические фазы.

Серпентиновые продукты являются широко распространенным сырьем и входят в состав многих горнопромышленных отходов, в частности - хвостов обогащения медно-никелевых, хризотил-асбестовых, вермикулитовых, оливинитовых и ряда других руд, вскрышных пород вермикулитовых, оливинитовых и медно-никелевых месторождений. В отличие от карбонатитов, обогащение которых при подготовке реагента недопустимо, серпентиновые продукты могут быть получены и в процессе обогащения либо специального, либо как попутный продукт. Реагенты, используемые при обогащении, полностью разрушаются в процессе термоподготовки и в этой связи не представляют опасности для экосистем.

Нижний предел содержания термоактивированного серпентина в реагенте (80%) определяется тем, что при большем количестве примесей возникает опасность вторичного загрязнения водоема, снижается эффективность реагента и возрастают удельные энергозатраты. Верхний предел обусловлен тем, что получение более чистых продуктов требует применения сложных и дорогостоящих способов подготовки сырья, в то время как сырье с содержанием 80-95 мас.% серпентиновых минералов в ряде случаев может быть получено наиболее простыми и дешевыми способами первичной подготовки, например, классификацией по крупности.

Расход реагента (0.1-5.0 г/л) определяют исходя из степени загрязнения водоема и степени эффективности его применения: при определенных расходах реагента дальнейшее увеличение не приводит к существенному улучшению качества воды.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1. 1 кг сунгулитовой вскрышной породы Ковдорского месторождения флогопит-вермикулитовых руд, содержащей 80 мас.% серпентиновых минералов (Mg, Fe)₆(OH)₈[Si₄O₁₀] и 20 мас.% примесей (гидроксиды железа, вермикулит, диопсид и др.) дробят в валковой дробилке с шириной щели 0.5 мм и расситовывают на ситах 0.5 и 0.2 мм. Фракцию крупнее 0.5 мм отбрасывают, а фракцию 0.5-0.2 мм измельчают до крупности менее 0.2 мм. Фракцию менее 0.02 мм отмывают, оставшийся продукт крупностью 0.02-0.2 мм сушат и подвергают термоактивации в муфельной печи при температуре 700^oC и получают около 0.8 кг реагента.

Берут 5 л раствора, содержащего 0.51 мг/л ионов никеля в виде сернокислой соли и имеющего pH 5.7, помещают в вертикально расположенную стеклянную трубку длиной 1 м и постепенно присыпают реагент из расчета 0.1 г/л, давая ему свободно оседать. Через час, после полного оседания реагента, отбирают воду на анализ. Остаточная концентрация никеля составляет 0.030 мг/л, pH раствора 8.46.

Результаты опытов по влиянию расхода реагента на величину остаточной концентрации ионов никеля и остаточное значение pH приведены в таблице 1. Остаточная концентрация никеля при оптимальных расходах реагента меньше 0.01 мг/л, что ниже ПДК для рыбохозяйственных водоемов, pH раствора не менее 6.5, что соответствует требованиям для таких объектов.

Пример 2. Реагент готовят аналогично примеру 1, но содержание основного минерала составляет 95 мас.%, а температура термоактивации - 650^oC. Аналогично примеру 1 ведут очистку раствора с исходной концентрацией ионов никеля 1.59 мг/л и pH 5.55. Расход реагента 0.1 г/л. Остаточная концентрация никеля составляет 0.070 мг/л, pH раствора 8.6.

Результаты опытов по влиянию расхода реагента на величину остаточной концентрации ионов никеля и остаточное значение pH приведены в таблице 2. Остаточная концентрация никеля при оптимальных расходах реагента меньше 0.01 мг/л, что ниже ПДК для рыбохозяйственных водоемов, pH раствора не менее 6.5, что соответствует требованиям для таких объектов.

Пример 3. Реагент готовят аналогично примеру 1, но температура термоактивации - 820^oC. Аналогично примеру 1 ведут очистку раствора с исходной концентрацией ионов никеля 2.53 мг/л и pH 5.8. Расход реагента 0.1 г/л. Остаточная концентрация никеля составляет 0.110 мг/л, pH раствора 8.5.

Результаты опытов по влиянию расхода реагента на величину остаточной концентрации ионов никеля и остаточное значение pH приведены в Таблице 3. Остаточная концентрация никеля при оптимальных расходах реагента меньше 0.01 мг/л, что ниже ПДК для рыбохозяйственных водоемов, pH раствора не менее 6.5, что соответствует требованиям для таких объектов.

Примеры 4 - 10. Реагент готовят аналогично примеру 1. В качестве исходных берут растворы с различной концентрацией никеля, кобальта, хрома (III), меди и цинка в виде сернокислых солей и в соответствии с этим меняют расход реагента (таблицы 4-10). Остаточная концентрация никеля, кобальта при оптимальном расходе реагента меньше 0.01 мг/л, что ниже ПДК для рыбохозяйственных водоемов, pH раствора не менее 6.5, что соответствует требованиям для таких объектов (см. табл. 4, 7, 9). В случае хрома (III), меди и цинка удается снизить концентрацию на 3-4 порядка, однако остаточная концентрация остается несколько выше ПДК (см. табл. 5, 6, 8). В то же время, при расходах реагента менее 0.1 мг/л достичь достаточной глубины чистки не удается даже при невысоких исходных концентрациях (таблица 10).

Приведенные в примерах данные показывают, что предполагаемое изобретение обеспечивает более глубокую по сравнению с прототипом очистку открытых водоемов от закисления и ионов тяжелых металлов при исключении вторичного загрязнения, обусловленного внесением реагента, остаточные концентрации тяжелых металлов либо ниже ПДК, либо приближаются к этим показателям.

Формула изобретения

Способ очистки воды открытых водоемов от закисления и ионов тяжелых металлов путем обработки воды реагентом с крупностью частиц 0,02 - 0,2 мм, отличающийся тем, что в качестве реагента используют серпентиновый продукт с содержанием серпентиновых минералов 80 - 95 мас.% при расходе реагента 0,1 - 5,0 г/л, а перед обработкой воды реагент подвергают термоактивации при 650 - 820^oC.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6

PD4A Изменение наименования, фамилии, имени, отчества патентообладателя

(73) Патентообладатель(и):Учреждение Российской академии наук Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН (ИХТРЭМС КНЦ РАН) (RU)

Адрес для переписки:184209, Мурманская обл., г. Апатиты, Академгородок, 26 а, ИХТРЭМС КНЦ РАН

Дата публикации: 10.07.2011

---