Способ очистки воды от взвешенных частиц
METHOD FOR WATER PURIFICATION FROM SUSPENDED PARTICLES

Предложенное решение относится к способам очистки воды от взвешенных частиц и маслонефтепродуктов. Может быть использовано в нефтедобывающей, химической, нефтехимической, пищевой, фармацевтической, машиностроительной и других отраслях промышленности, а также в системах очистки сточных вод.
Известен способ очистки поверхностного стока от взвешенных веществ и нефтепродуктов (патент на изобретение RU № 2078949, МПК C01F 1/28, 1997 г.) путем последовательного фильтрования стока через два слоя зернистого фильтрующего материала, причем в качестве первого слоя по ходу движения стока при меняют фракцию вспененного полистирола 2-5 мм, а в качестве второго слоя - фракцию активированного угля 0,5-2,5 мм. Однако данный способ имеет недостаточную надежность процесса очистки из-за постепенного загрязнения фильтрующего материала и низкую эффективность процесса очистки стока из-за значительного размера каналов между частицами фильтрующего материала.
Известен способ очистки пищевых жидкостей от механических примесей (патент на изобретение RU № 2054299, МПК B01D 24/10, 1996 г.) путем пропускания жидкости через два слоя фильтрующей засыпки, состоящей из сферических гранул, выполненных из оксида алюминия, титана или циркония, или их сплавов. Периодически фильтры регенерируют за счет прокачки через них моющего раствора обратным током. Однако данный способ имеет недостаточную надежность процесса очистки из-за постепенного загрязнения фильтрующей засыпки и низкую эффективность процесса очистки из-за значительного размера проходных каналов между гранулами фильтрующей засыпки.
Технический результат предложенного решения заключается в повышении надежности и эффективности процесса очистки воды от взвешенных частиц.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе очистки воды от взвешенных частиц путем фильтрации через гранулированную засыпку, в зазорах между гранулами засыпки предварительно создается и поддерживается жидкостная сеть, состоящая из нерастворимой в воде жидкости, вся поверхность или большая часть поверхности гранул засыпки является несмачиваемой для жидкости, из которой образована жидкостная сеть, а очищаемая вода проходит через гранулированную засыпку по каналам, образованным гранулами и жидкостной сетью.
Жидкостная сеть перекрывает поперечное сечение гранулированной засыпки с сохранением водопроницаемости. Жидкостная сеть формируется в объеме гранулированной засыпки, а отведение уловленных, несмачиваемых жидкостной сетью частиц производится периодически с помощью промывки гранулированной засыпки во взвешенном состоянии. Жидкостная сеть формируется, по крайней мере, на выходе из гранулированной засыпки, а отведение уловленных жидкостной сетью взвешенных частиц производится вместе с каплями, являющимися продуктом разрушения жидкостной сети, покидающей гранулированную засыпку.
Жидкостную сеть в гранулированной засыпке создают путем подачи в гранулированную засыпку нерастворимой в воде жидкости, в частности, жидкостную сеть в гранулированной засыпке создают путем подачи в гранулированную засыпку нерастворимой в воде жидкости, содержащейся в очищаемой воде.
Жидкостную сеть в гранулированной засыпке создают путем пропускания через гранулированную засыпку очищаемой воды, содержащей нерастворимую в ней жидкость.
В качестве гранул засыпки используются пропитанные водой открыто пористые гранулы со средним размером пор, не превышающим 100 нм. Гранулы засыпки содержат частицы материала с хорошей адгезией к веществу, из которого образована жидкостная сеть.
Повышение надежности процесса очистки обеспечивается за счет исключения закупоривания фильтра при загрязнение гранулированной засыпки, поскольку уловленные взвешенные частицы задерживаются с помощью жидкостной сети, а вся поверхность или большая часть поверхности гранул засыпки является несмачиваемой для жидкости, из которой образована жидкостная сеть.
Повышение эффективности процесса очистки обеспечивается за счет создания в зазорах между гранулами жидкостной сети, нити (жгуты) которой, расположенные между гранулами, уменьшают размеры каналов и делят каналы на более мелкие, что увеличивает эффективность улавливания более мелких взвешенных частиц. Теоретические расчеты с модельными материалами (гранулы сферической формы и одинакового размера) показывают, что поперечное сечение каналов между гранулами после формирования стабильной жидкостной сети уменьшается в 6,8 раза.
Наибольший эффект достигается, когда жидкостная сеть перекрывает поперечное сечение гранулированной засыпки (фильтрующего слоя) с сохранением водопроницаемости.
Предложенный способ позволяет реализовать как периодический, так и непрерывный режимы работы. В первом случае жидкостная сеть формируется в объеме гранулированной засыпки, а отведение уловленных, несмачиваемых жидкостной сетью частиц производится периодически с помощью промывки гранулированной засыпки во взвешенном состоянии. При непрерывном режиме работы жидкостная сеть формируется, по крайней мере, на выходе из гранулированной засыпки, а отведение уловленных жидкостной сетью взвешенных частиц производится вместе с каплями, являющимися продуктом разрушения жидкостной сети, покидающей гранулированную засыпку.
Жидкостную сеть в гранулированной засыпке создают путем:
• подачи в гранулированную засыпку нерастворимой в воде жидкости, в частности, это может быть жидкость, содержащаяся в очищаемой воде;
• пропускания через гранулированную засыпку очищаемой воды, содержащей нерастворимую в ней жидкость.
В последнем случае жидкостная сеть образуется из дисперсной фазы очищаемой водной эмульсии: за счет подачи в гранулированную засыпку «чистой» дисперсной фазы водной эмульсии или за счет пропускания через гранулированную засыпку водной эмульсии до набора в слое засыпки необходимого объема уловленной дисперсной фазы. Жидкостная сеть также может быть образована из взаиморастворимой с дисперсной фазой очищаемой водной эмульсии жидкости (за счет ее подачи в гранулированную засыпку).
Для оперативного образования и гарантированного существования жидкостной сети в очищаемую воду перед фильтрацией добавляется нерастворимая в воде жидкость. Это может производится при отсутствии или низкой концентрации в воде нерастворимых в ней жидкостей, а также при высокой скорости очистки. Добавление может осуществляться однократно (в начале процесса) или постоянно.
В качестве гранул гранулированной засыпки используются пропитанные водой открытопористые гранулы со средним размером пор, не превышающим 100 нм, а гранулы гранулированной засыпки могут содержать частицы материала с хорошей адгезией к веществу, из которого образована жидкостная сеть.
Вся поверхность или большая часть поверхности гранул гранулированной засыпки выполняется несмачиваемой для жидкости, из которой образована жидкостная сеть. Это предотвращает или значительно сокращает загрязнение гранул засыпки, и, следовательно, исключает необходимость замены и/или регенерации гранулированной засыпки, что повышает надежность процесса очистки воды.
Жидкостная сеть формируется в зазорах между гранулами, а очищаемая вода проходит через слой гранул по каналам, образованным гранулами и жидкостной сетью, не загрязняя гранулы (поскольку вся поверхность или большая часть поверхности гранул выполнена несмачиваемой для жидкости, из которой образована жидкостная сеть). При прохождении очищаемой воды через фильтрующий слой гранул по каналам, образованным гранулами и жидкостной сетью, взвешенные в воде частицы находятся в контакте с жидкостной сетью, что приводит к их эффективному улавливанию.
Обеспечить несмачиваемость поверхности гранул фильтрующего слоя жидкостью, из которой образована жидкостная сеть, можно путем использования в качестве гранул фильтрующего слоя гранул из олеофобного материала (патенты на полезную модель RU №115349, 2011 г. и RU №187839, 2018 г.) или открытопористых гранул (описанных, например, в патенте на изобретение RU №2652695, 2017 г., где «несмачиваемость поверхности гранулы дисперсной фазой обеспечивается путем предварительной пропитки поверхности дисперсионной средой»). Применение открытопористых гранул со средним размером пор, не превышающим 100 нм, обеспечивает надежное удержание воды на поверхности гранул за счет капиллярного эффекта, что, соответственно, предотвращает загрязнение гранул.
При использовании гранул, вся поверхность которых является несмачиваемой для жидкости, из которой образована жидкостная сеть, формирование протяженной жидкостной сети становится затруднительным из-за отсутствия мест ее фиксации на гранулах. Для увеличения удерживающих свойств гранулированной засыпки по отношению к жидкостной сети меньшую часть поверхности гранул делают смачиваемой для жидкости, из которой образована жидкостная сеть, например, за счет добавления в гранулы частиц материала с хорошей адгезией к жидкости, из которой образована жидкостная сеть.
Заявленный технический результат в предложенном решении обеспечивается за счет:
• формирования с помощью жидкостной сети более узких каналов в зазорах между гранулами;
• увеличения скорости движения очищаемой воды в каналах между гранулами и жидкостной сетью;
• сохранения в процессе эксплуатации большей части поверхности гранул в чистом (незагрязненном) виде;
• исключения загрязнения и «забивки» фильтрующей загрузки уловленными частицами, поскольку в жидкостной сети всегда остаются зазоры.
Исследование работы предложенного способа очистки воды от взвешенных частиц проводилось в лабораторных условиях. Распределение по размерам пор используемых гранулированных загрузок фильтра определялось методом низкотемпературной адсорбции азота (БЭТ, Quantachrome NOVA 1200e) и методом ртутной порометрии (Micrometrics AutoPore V).
Способ очистки воды от взвешенных частиц путем фильтрации через гранулированную засыпку реализуется следующим образом.
Примеры конкретного выполнения.
Пример 1.
Для очистки воды от высокодисперсной суспензии каолина с концентрацией твёрдой фазы 300 мг/л использовался напорный фильтр с гранулированной пористой загрузкой из обожженного трепела фракции 0,5-1,0 мм. Для создания жидкостной сети применялось дозирование минерального масла перистальтическим насосом в поток очищаемой воды непосредственно перед фильтром. Параметры фильтрующей установки и режима фильтрации:
- диаметр фильтра 50 мм;
- высота слоя загрузки 500 мм;
- линейная скорость потока очищаемой воды 9 м/ч;
- объёмный расход минерального масла 0,4 мл/мин.
Пористая гранулированная загрузка со средним диаметром пор 6 нм (по данным метода БЭТ) предварительно пропитывалась водой и выдерживалась в ней в течение 1 часа для удаления воздуха из объёма гранул. Затем осуществлялась обратная промывка фильтра с ожижением гранулированной загрузки для её промывки и удаления воздушных пузырьков перед началом фильтрации.
Первый цикл фильтрации суспензии проводился без дозирования минерального масла до получения объёма фильтрата - 5 л. Содержание каолина в фильтрате после первого цикла составило 213 мг/л.
После обратной промывки фильтра с ожижением гранулированной загрузки был проведён второй цикл фильтрации с дозированием минерального масла при прочих неизменных параметрах. Во втором случае концентрация каолина в фильтрате (получено также 5 л) составила 17 мг/л.
Пример 2.
Для очистки воды от высокодисперсной суспензии сульфида железа в присутствии нефтяной эмульсии использовалась установка фильтрации, описанная выше в примере 1. Водонефтяная эмульсия с концентрацией нефтяной фазы 204 мг/л и твёрдой фазы - 77 мг/л подавалась в фильтр со скоростью 15 м/ч. Размер капель эмульсии находился в диапазоне от 2 до 70 мкм с максимальным содержанием капель размером от 8 до 30 мкм. Плотность используемой нефти составляла 984 г/л. Фильтр был наполнен гранулированной загрузкой из обожжённого трепела фракции 0,5-1,0 мм с диаметром пор от 3 до 100 нм, предварительно пропитанного водой. Толщина фильтровального слоя составляла 500 мм. После прохождения фильтра жидкость поступала в отстойник объёмом 3 л и диаметром 200 мм, в котором происходило разделение нефти и воды. В водной фазе гравиметрическим методом измерялась концентрация остаточной твёрдой фазы сульфида железа.
Первый цикл фильтрации проводился в отсутствии эмульгированной нефти до получения объёма фильтрата - 5 л. Концентрация твёрдой фазы в фильтрате составила 63 мг/л.
Второй цикл фильтрации с нефтяной эмульсией (204 мг/л) позволил удалить сульфид железа из водной фазы до остаточной концентрации 2,2 мг/л.
Пример 3.
Для очистки воды от высокодисперсной суспензии сульфида железа в присутствии нефтяной эмульсии использовалась установка фильтрации, описанная выше в примере 1. Водонефтяная эмульсия с концентрацией нефтяной фазы 251 мг/л и твёрдой фазы - 84 мг/л подавалась в фильтр со скоростью 27 м/ч. Размер капель эмульсии находился в диапазоне от 10 до 150 мкм с максимальным содержанием капель размером от 20 до 50 мкм. Плотность используемой нефти составляла 984 г/л. Фильтр был наполнен гранулированной загрузкой из обожжённого трепела фракции 0,5-1,0 мм с добавлением молотого магнетита (10 масс %) в качестве смачиваемого нефтью компонента, предварительно пропитанного водой. Толщина фильтровального слоя составляла 250 мм. Для создания жидкостной сети применялось дозирование такой же нефти перистальтическим насосом в поток очищаемой воды непосредственно перед фильтром со скоростью 5 мл/мин. После прохождения фильтра жидкость поступала в отстойник объёмом 3 л и диаметром 200 мм, в котором происходило разделение нефти и воды. В водной фазе гравиметрическим методом измерялась концентрация остаточной твёрдой фазы сульфида железа.
После проведения гравиметрического определения сульфида железа в водной фазе отстойника было получено остаточное содержание твёрдой фазы - 1,8 мг/л.
Пример 4.
3
Для очистки воды от частиц микропластика (полипропилен, чешуйки, фракция 20-100 мкм по данным микроскопии) использовалась установка фильтрации с диаметром фильтра 200 мм и высотой гранулированной загрузки 1200 мм. Сточная вода с концентрацией частиц полипропилена 140 мг/л подавалась в фильтр со скоростью 10 м/ч. Фильтр был наполнен гранулированной загрузкой из обожженного трепела фракции 0,7-1,7 мм с добавлением молотого магнетита (10 масс. %) в качестве смачиваемого маслом компонента. Для создания жидкостной сети применялось дозирование растительного масла перистальтическим насосом в поток очищаемой воды непосредственно перед фильтром со скоростью 1 мл/мин. После прохождения фильтра жидкость поступала в отстойник объёмом 1 м, в котором происходило разделение прошедшего через фильтр масла и воды. Цикл фильтрации проводился в течение 3 часов, затем с помощью обратной промывки осуществлялась регенерация фильтровального материала.
2
Пробы очищенной воды фильтровались через бумажный фильтр «белая лента», смыв твёрдых частиц затем подвергался мокрому окислению в среде перекиси водорода в присутствии катализатора (солей Fe (II)) для растворения неполимерных органических веществ. Оставшиеся нерастворенные частицы подвергались плотностному разделению в растворе ZnCl для отделения минерализованных остатков. После сепарации частицы пластика собирались на бумажный фильтр, сушились и взвешивались для определения его концентрации.
По результатам анализа в очищенной воде концентрация частиц полипропилена была ниже предела обнаружения (менее 5 мг/л).
Проведенные исследования показывают, что применение предложенного решения существенно повышает надежность и эффективность процесса очистки воды от взвешенных частиц и маслонефтепродуктов. Предложенное решение также может быть использовано для разделения эмульсий.