ДОБАВЛЕНИЕ АЛЮМИНИЕВЫХ РЕАГЕНТОВ В ОКСИАНИОН-СОДЕРЖАЩИЕ ВОДНЫЕ ПОТОКИ
ADDITION OF ALUMINIUM REAGENTS TO OXYANION-CONTAINING WATER STREAMS

Настоящая заявка относится к заявке на патент США № 13/787,365, поданной 6 марта 2013 года и приобщенной заявке с названием «ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ОКСИАНИОНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЛЮМИНИЕВЫХ РЕАГЕНТОВ». Полное содержание этих двух заявок включено в настоящий документ посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к очистке водных потоков, содержащих оксианионы, а более конкретно, к мониторингу водных потоков, содержащих оксианион и их обработке алюминиевыми реагентами.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Оксианионы являются классом кислородсодержащих анионных молекул, которые могут быть образованы в ходе промышленных процессов. Например, типичные оксианионы, образующиеся в ходе промышленных операций по переработке, включают борат, карбонат, фосфат, сульфат, хромат и арсенат. Эти оксианионы могут быть сформированы, когда вещество, содержащее бескислородный элемент оксианиона, подвергается воздействию кислорода, воды и/или бактерии. По причине неблагоприятных последствий для здоровья человека и окружающей среды, связанных со многими оксианионами, государственные регулирующие органы часто ограничивают уровень, при котором некоторые оксианионы могут сбрасываться со сточными водами в окружающую среду.
Одна из ситуаций, когда могут образовываться оксианионы, возникает во время раскопок грунта. Работы по разработке грунта, такие как добыча и обогащение полезных ископаемых, дорожное строительство и т.д., могут подвергать грунтовый материал воздействию кислорода и воды, образуя сточные воды, содержащие оксианионы. Эти сточные воды могут включать, например, дренаж кислых горных пород (называемый ARD или AMD), обогатительные хвосты, избыток декатирующей воды, фильтрационную воду и сточные воды кислотообразующих процессов. Дренажные формы кислых горных пород подвергаются воздействию окислительных условий во время добычи полезных ископаемых, дорожного строительства и других крупномасштабных раскопках.
Оксианионы могут быть с трудом выделены из воды, потому что они часто образуют относительно слабые анионы. Еще больше осложняет усилия по выделению оксианионов осознание факта, что соединения оксианионов могут меняться с течением времени и влияния факторов окружающей среды. Такие факторы, как выпадение осадков, температура, условия промышленного процесса, содержание вещества в грунте, и реакции химических компонентов могут вызвать изменения в составе оксианионов в рассматриваемом потоке сточных вод с течением времени. Уверенность в том, что водные потоки, содержащие изменчивые оксианионные композиции и концентрацию, должным образом очищаются, могут помочь привести в соответствие государственные нормативные требования, обеспечить хорошую экологию и улучшение здравоохранения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В целом, это изобретение относится к способам, композициям и техническим средствам, нацеленным на снижение концентрации оксианионов в промышленных водных растворах, таким как, очистка сточных вод перед сбросом ее в окружающую среду. В некоторых областях применения водный поток, содержащий один или более оксианион и катионы металла, постоянно контролируется с целью измерения текущей концентрации одного или более оксианиона и катионов металла. Затем, на основе данных о текущей концентрации оксианиона, катиона металла, а также целевого порога освобождения оксианионов, в сточные воды добавляется химический осаждающий агент. Целевой порог освобождения оксианионов может соответствовать максимальной концентрации, выше которой сточные воды не могут быть сброшены без нарушения лимита содержания оксианионов. Целевым порогом освобождения может также являться концентрационный лимит, выше которого содержание оксианионов слишком высокое для повторного использования водного потока в технологическом процессе. Химический осаждающие агенты могут включать источник катиона металла (к примеру, в случаях, если в потоке концентрация катиона металла уже не слишком высока) и алюминий, который связывается с оксианионом, образуя осадок катиона металла алюмо-оксианиона гидроксида гидрата.
С течением времени композиция потока сточных вод может измениться по причине иной концентрации оксианиона и/или катиона металла в поступающих сточных водах, нежели прежде. Было подтверждено, что такое изменение может иметь значительные практические последствия. Например, в случаях, когда концентрация катиона металла и/или оксианиона в потоке сточных вод меняется, дозировка химических осаждающих агентов может нуждаться в изменении, чтобы предотвратить превышение допустимой концентрации оксианиона в очищаемом потоке.
Если концентрация оксианиона в поступающем потоке возрастает и/или концентрация катиона металла снижается, дозировка источника катиона металла и/или алюминиевых реагентов может оказаться слишком малой. Это может ограничить образование осадка катиона металла алюмо-оксианиона гидроксида гидрата, вызывая превышение желаемого лимита концентрации оксианиона в очищаемом потоке. В противоположность этому, если концентрация оксианиона в поступающем потоке снижается и/или концентрация катиона металла возрастает, дозировка источника катиона металла и/или алюминиевых реагентов может оказаться слишком высокой. Это не только экономически не эффективно по причине превышения дозировки осаждающих агентов, но также было замечено, что в некоторых случаях превышение добавления осаждающих агентов ведет к снижению суммарного количества осажденного оксианиона. Например, добавка увеличенного количества источника катиона металла и/или алюминиевых реагентов может увеличить количество формируемого осадка и соответственно поглощенного оксианиона до тех пор, пока не будет достигнута концентрационная точка перелома для источника катиона металла и/или алюминиевых реагентов. Увеличение концентрации источника катиона металла и/или алюминиевых реагентов в потоке сточных вод выше точки перелома может снизить количество формируемого осадка, увеличивая количество оксианиона, оставшегося в очищаемом потоке сточных вод.
Непрерывно измеряя текущую концентрацию оксианиона в очищаемом потоке и катиона металла в потоке (т.е. катиона металла, который связывается с алюминием для образования осадка катиона металла алюмо-оксианиона гидроксида гидрата), можно получить точное и гарантированное снижение концентрации оксианиона ниже целевого порога. Это может гарантировать экономически эффективное соблюдение любых нормативных ограничений, которые могут существовать для концентрации оксианиона в потоке сбрасываемых в окружающую среду сточных вод.
В одном примере описан способ для снижения концентрации одного или нескольких оксианионов в водном потоке. Этот способ включает прием водного потока, содержащего катион металла и оксианион, в котором концентрация катиона металла и концентрация оксианиона меняются со временем. Способ также включает непрерывное измерение концентрации катиона металла для того чтобы обеспечить текущую концентрацию катиона металла в водном потоке, непрерывное измерение концентрации оксианиона для того чтобы обеспечить текущую концентрацию оксианиона в водном потоке, и добавлении источника катиона металла и алюминиевого реагента в водный поток. Способ обуславливает, что количество источника катиона металла, добавленного в водный поток, определено на основе текущей концентрации катиона металла в водном потоке, количество алюминиевого реагента, добавленного в водный поток, основано на текущей концентрации оксианиона в водном потоке, при этом и количество источника катиона металла и количество алюминиевого реагента, добавленного в водный поток, эффективно для снижения концентрации оксианиона ниже целевого порога.
В другом примере описанная система включает источник агента, содержащего катионы металла, источник алюминиевого реагента, один или более датчиков и контроллер. Этот пример оговаривает, что один или более датчиков скомпонованы для анализа водного раствора, содержащего катион металла изменчивой концентрации и оксианион изменчивой концентрации, а также один или более датчиков скомпонованы для измерения изменчивой концентрации катиона металла, чтобы обеспечить текущую концентрацию катиона металла в водном растворе и для измерения изменчивой концентрации оксианиона, чтобы обеспечить текущую концентрацию в водном растворе. Пример также определяет использование контроллера, выполнен с возможностьюного для управления добавлением агента, содержащего катион металла и алюминиевый реагент к водному раствору, основываясь на текущей концентрации катиона металла и текущей концентрации оксианиона, измеряемой одним или более датчиками.
В другом примере описан способ, который включает добавление реагента основного щелочноземельного металла к водному раствору, содержащему оксианион, таким образом выделяя в осадок из водного раствора первую порцию оксианиона, образовывая водный раствор, содержащий сниженную концентрацию оксианиона. Этот способ включает определение концентрации оксианиона в водном растворе, содержащем сниженную концентрацию оксианиона, и добавление алюминиевого реагента к водному раствору, содержащему сниженную концентрацию оксианиона, основываясь на определенной концентрации оксианиона, таким образом выделяя в осадок из водного раствора, содержащего сниженную концентрацию оксианиона, вторую порцию оксианиона.
Детали одного или более примеров представлены в прилагаемых фигурах и описании ниже. Другие особенности, цели и преимущества будут очевидны из описания, фигур и пунктов формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
ФИГ. 1 блок-схема, иллюстрирующая примерный процесс для снижения концентрации одного или более оксианионов в водном потоке.
ФИГ. 2 блок-схема, иллюстрирующая другой примерный процесс для снижения концентрации одного или более оксианионов в водном потоке.
ФИГ. 3 концептуальная схема, иллюстрирующая пример системы, которая может быть использована для очистки воды, содержащей оксианионы, с целью снизить концентрацию оксианионов в соответствии со способом, описанным применительно к ФИГ. 1 и 2.
ФИГ. 4 график, иллюстрирующий пример экспериментальных данных концентрации оксианиона сульфата в сравнении с прогнозными данными концентрации для осадка на основе эттрингит-стехиометрии.
ФИГ. 5 график динамических данных примера осаждения для образца дренажа кислых горных пород, предварительно обработанного негашеной известью.
ФИГ. 6А-6С пример графиков экспериментальных данных для раствора оксианиона молибдата, очищаемого гидроокисями алюминия и кальция.
ФИГ. 7 пример графика экспериментальных данных для раствора оксианиона хромата, очищаемого гидроокисями алюминия и кальция.
ФИГ. 8 пример графика экспериментальных данных для раствора оксианиона бромата, очищаемого гидроокисями алюминия и кальция.
ФИГ. 9 пример графика экспериментальных данных для раствора оксианиона нитрата, очищаемого гидроокисями алюминия и кальция.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Это изобретение относится к совокупности принципов и техническим средствам для очистки потоков сточных вод, содержащих оксианионы, с целью снижения концентрационного уровня оксианиона в потоке сточных вод ниже порогового уровня концентрации.
Целевой уровень может быть уровнем, ниже которого поток сточных вод может быть сброшен в окружающую среду (т.е. река, озеро, система городского канализационного коллектора), при соответствии требованиям экологическим и в области здравоохранения. Например, целевым уровнем концентрации может быть максимально разрешенный уровень концентрации, установленный стандартами компании, местными или национальными законами или нормативными требованиями в области экологии, здравоохранения и безопасности. Целевым порогом освобождения может также являться концентрационный лимит, ниже которого требуется опустить концентрацию оксианиона для того чтобы использовать поток воды в промышленном технологическом процессе.
Чтобы снизить уровень концентрации оксианиона в потоке сточных вод ниже целевого уровня концентрации, по крайней мере, один осаждающий агент, а в некоторых примерах несколько осаждающих агентов, могут быть добавлены к потоку сточных вод. Например, в поток сточных вод может быть добавлен источник катиона металла, такой как реагент основного щелочноземельного металла и/или алюминиевый реагент. Источник катиона металла и алюминиевый реагент могут связывать существующий в потоке сточных вод оксианион с образованием осадка. Этот осадок может быть удален из потока сточных вод, тем самым снизив концентрацию оксианиона в потоке.
На практике было замечено, что концентрация оксианиона в промышленных потоках сточных вод может с течением времени значительно меняться. Например, во время операции по разработке грунта, которая образует дренажный сток кислых пород, изменения в химическом составе извлекаемого грунтового материала, изменения под воздействием осадков и температуры, среди прочих факторов, могут вызвать изменчивость содержания оксианиона в стоке. В зависимости от характера конкретной операции по разработке грунта, концентрация оксианиона в стоке может изменяться в течение дня более чем на 10%. В случаях, когда один или более осаждающий агент добавляется в этот сток, чтобы снизить содержание оксианиона в потоке, сильная изменчивость концентрации оксианиона может негативно влиять на эффективность добавленных в поток осаждающих агентов.
В некоторых случаях, в соответствии с этим изобретением, поток сточных вод, имеющий изменчивую концентрацию оксианиона, контролируется с целью определения текущей концентрации оксианиона в потоке. Концентрация катиона(ов) металла, относящаяся к оксианионам, может также непрерывно контролироваться, чтобы определять текущую концентрацию катиона металла в потоке. К примеру, концентрация катиона(ов) металла, который(ые) связывается(ются) с алюминием и оксианионами, образуя осадок катиона металла алюмо-оксианиона гидроксида гидрата, может постоянно контролироваться. На основе информации о текущей концентрации оксианиона, текущей концентрации катиона металла в потоке, дозировка осаждающих агентов, добавленных в поток, может быть приведена к количеству, эффективному для снижения концентрации оксианиона в потоке ниже целевого порога. Например, дозировка осаждающих агентов может быть приведена к количеству, эффективному для снижения концентрации оксианиона в потоке ниже целевого порога, при этом существенно не передозируя агенты, осаждая чрезмерное количество оксианиона и обеспечивая сброс потока в окружающую среду без нарушений стандартов качества отводимых сточных вод.
Не желая быть связанным какой-либо конкретной теорией, было обнаружено, что в некоторых случаях процесс осаждения и удаления оксианиона крайне чувствителен к концентрации оксианиона в очищаемом водном потоке и к концентрации осаждающих агентов, добавленных в поток. В некоторых случаях, даже небольшие изменения в миллионных долях концентрации оксианиона и/или концентрации осаждающего агента могут давать изменения в концентрации оксианиона в очищаемом потоке. Например, сложные взаимодействия между оксианионами в очищаемом потоке и осаждающими агентами могут создавать пределы осаждения. Увеличение концентрации осаждающих агентов, добавленных в поток, до этих пределов может увеличивать количество осаждаемого из потока оксианиона. Дальнейшее увеличение концентрации осаждающих агентов за пределы осаждения может вызвать, по меньшей мере, переход части осажденного оксианиона обратно в раствор, снижая количество осажденного оксианиона в очищаемом потоке. То есть, система может обнаруживать точку перелома осаждения (т.е. максимум), в силу которого увеличение или уменьшение концентрации осаждающих агентов, добавленных в поток, вызывает снижение количества осаждаемого из потока оксианиона.
В областях применения, где очищаемый поток сточных вод обнаруживает точку перелома осаждения оксианиона, которая сдвигается в зависимости от концентрации оксианионов и/или концентрации катионов металла в потоке, постоянное отслеживание концентраций оксианиона и/или катиона металла в потоке может способствовать точному дозированию осаждающих агентов. Например, количество источника катиона металла, добавленного в поток и/или количество алюминиевого реагента, добавленного в поток, может быть отрегулировано на основе концентрации катиона металла и/или оксианиона во входящем очищаемом потоке. Осаждающие агенты могут также быть скорректированы на основе точки перелома осаждения в соответствии с концентрацией оксианиона входящего потока и/или целевым уровнем концентрации после очистки.
ФИГ. 1 блок-схема, иллюстрирующая примерный процесс для снижения концентрации одного или более оксианионов в водном растворе, как например, водохранилище или очищаемом потоке воды, содержащем оксианионы. Процесс включает прием очищаемого потока, содержащего оксианион (10), непрерывное измерение концентрации катионов металла (12) для определения текущей концентрации катиона металла, и непрерывное измерение концентрации оксианиона в потоке (14) для определения текущей концентрации оксианиона. В дополнение, пример технологии ФИГ. 1 включает определение дозировки осаждающего агента (16), основываясь на текущей концентрации катиона металла и текущей концентрации оксианиона, и затем добавление осаждающих агентов в водный поток (18) в пределах установленного лимита. Как описано во во всех подробностях ниже, широкий ряд различных химических соединений, конфигураций оборудования и режимов технологических процессов могут быть использованы чтобы снизить концентрацию оксианиона в очищаемом потоке в соответствии с примером технологии на ФИГ. 1
В технологии на ФИГ. 1 водный поток, содержащий один или более оксианионов, может быть принят из промышленного процесса (10) и очищен посредством снижения концентрации одного или более оксианионов, получая на выходе очищенный водный поток. Водный поток может быть принят из различных промышленный процессов, и изобретение не ограничено очисткой водного потока из какого-то специфического источника. В некоторых случаях водный поток это сбрасываемый поток, пульпа, смыв поверхности и/или фильтрационная вода из разрабатываемого месторождения, отвала угольных отходов, строительной площадки, химического завода или других мест. Например, водный поток может быть сбросом, сформированным рудничным водоотливом, в случае нарушения геологических пластов (например, выемки грунта) и воздействию на них источников воды, таких как атмосферные осадки, поверхностные стоки и/или грунтовые воды, так чтобы вода содержала металлы и минералы в растворенном виде или суспензии. Дренаж горных пород может быть кислым (упомянутый как дренаж кислых горных пород) или щелочным (упомянутый как дренаж щелочных горных пород), в зависимости от источника. В любом случае, поток может быть образован с мест разработки, включая активные, неактивные, заброшенные места разработок и/или открытые разработки грунта для добычи минералов, металлов, руды и/или угля. Примерами таких разработок могут быть нефтеносные пески, уголь. минералы, металлы и руды, включая известняк, тальк, золото, серебро, железо, цинк, марганец молибден, сурьма, хром и никель. Другие примеры источников водного потока, содержащего один или более оксианион, включают сточную воду от процесса десульфурации дымовых газов, отходов целлюлозно-бумажного производства и алюминиевого производства.
x
y
z-
В зависимости от источника водного потока, поток может содержать оксианионы, нуждающиеся в очистке или выведении, перед тем, как он будет сброшен в окружающую среду. Термин оксианион обозначает отрицательно заряженные химические соединения, имеющие формулу AO, в которой А - химический элемент, отличный от кислорода; О - кислород; Z - стандартно целое число, имеющее значение по меньшей мере единицу (т.е. 1, 2, 3 или больше); X - стандартно целое число, имеющее значение 1 или 2; Y - стандартно целое число, имеющее значение по меньшей мере единицу (т.е. 1, 2, 3, 4 или больше).
Оксианионы могут быть образованы многими химическими элементами. Например, оксианионы включают борат, карбонат, нитрат, фосфат, сульфат, хромат, арсенат, селенат, молибдат, нитрит, фосфат, сульфит, арсенит, селенит, гипофосфит, фосфат, гипосульфит, перхлорат, пербромат, периодат, перманганат, хлорат, хромат, бромат, йодат, хлорит, бромит, гипохлорит и гипобромит. Конкретный оксианион может быть образован на месте разработки, после воздействия на химический элемент кислорода и воды. Например, оксианион сульфат может быть образован когда извлеченный грунтовый материал, содержащий сульфид металла подвергнут воздействию кислорода и воды.
x
y
4
z-
2-
Конкретные оксианионы, присутствующие в водном потоке, который подвергается очистке, будут варьироваться, в частности в зависимости от процессов, образовавших поток и источника оксианионов. В некоторых случаях очищаемый водный поток включает (или, в некоторых случаях, состоит или состоит существенно из) сульфат, молибдат, борат, селенит, арсенат, нитрат и/или ванадат. К примеру, водный поток может содержать один или более оксианионов, имеющих формулу AO, где А взято из группы, содержащей Мо, В, Cr, Se, As, N, S; V; X - целое число, имеющее значение 1 или 2; Y - целое число, имеющее значение, как минимум 1; Z - целое число, имеющее значение, как минимум 1. В одном конкретном случае водный поток включает (или, в других случаях состоит существенно из) сульфата (SO). Сульфат это оксианион, обнаруживаемый в дренажах многих кислых горных пород и других стоках, образующихся при разработке грунтов. В некоторых случаях водный поток включает сочетание различных оксианионов.
К тому же, водный поток, содержащий один или более оксианион, подвергается обработке (очистке) веществами, которые могут содержать соответственные катионы, т.е. обеспечивающие потоку нейтральный электрический заряд. Типы катионов, присутствующих в водном потоке опять же будут зависеть от процессов, образовавших поток, и источника катионов. Типичные катионы, соотносимые с оксианионсодержащим потоком сточных вод, включают катионы металлов, таких как Группа I, щелочные металлы (к примеру, Na, K) и/или Группа II, щелочноземельные металлы (к примеру, Be, Mg, Ca). В случае потоков дренажа кислых горных пород, могут также присутствовать тяжелые металлы, такие как железо, хром, кобальт, цинк, никель и/или медь.
Концентрация катионов металла и оксианионов в водном потоке до очистки при помощи осаждающих агентов может колебаться, к примеру от менее чем 500 частиц на миллион (млн-1) до более чем 1000 млн-1. Например, содержание катионов металлов и/или оксианионов во входящем потоке может быть для каждого быть более 500 млн-1, а именно более 750 млн-1, более 1000 млн-1, более 1500 млн-1 или даже более 2500 млн-1 (к примеру, от 10000 млн-1 до 20000 млн-1). В некоторых случаях концентрация катионов металлов и/или оксианионов во входящем потоке может иметь диапазон от 100 млн-1 до 3000 млн-1, например, от 500 млн-1 до 2500 млн-1, от 1000 млн-1 до 2000 млн-1, от 1100 млн-1 до 1500 млн-1. Вышеупомянутые концентрации могут быть как у конкретной пары катиона металла и оксианиона, так и у суммы всех катионов металлов и оксианионов, содержащихся в потоке. В дальнейшем, если не упомянуто иное, частицы на миллион (млн-1) используются в настоящем документе в отношении частиц на миллион по весу.
Как один из примеров, водный поток может содержать сульфат в концентрации в диапазоне от 1000 млн-1 до 2000 млн-1. Например, водный поток может содержать сульфат в диапазоне от 900 млн-1 до 1500 млн-1, обеспечивая текущую концентрацию оксианиона сульфата от 900 млн-1 до 1500 млн-1. Соответственный катион металла может присутствовать в водном потоке в меньшей весовой концентрации, чем оксианион, в частности, благодаря разнице удельных весов между катионом и оксианионом сульфатом. Например, в случаях, в которых сульфат присутствует как сульфат кальция, кальций может варьироваться от 265 млн-1 до 450 млн-1, обеспечивая текущую концентрацию катиона от 265 млн-1 до 450 млн-1. Концентрация кальция может быть меньше в случаях, когда в водном потоке вместо кальция присутствуют другие неустойчивые катионы металлов.
На практике концентрация катионов металлов и оксианионов может изменяться с течением времени. Такие факторы среди прочих, как атмосферные осадки, температура, условия промышленных процессов и состав грунтового материала могут вызывать уменьшение или увеличение концентрации катионов металлов и/или оксианионов в потоке по сравнению с предшествующей концентрацией. Изменение концентрации катиона металла и/или оксианиона по прошествии времени может быть более чем 10%, к примеру более 25% или более 50%. Например, в случае если поток содержит примерно 1200 млн-1 сульфата, изменяющего концентрацию с течением времени примерно на 25%, содержание сульфата может изменяться от 900 млн-1 до 1500 млн-1. Период времени, в течение которого изменяется концентрация, может быть сравнительно небольшим, к примеру полчаса или час, или больше, например смена (т.е. восьмичасовая смена), день или неделя. Как оговаривается во всех подробностях ниже, эти изменения концентрации влияют на необходимую дозировку осаждающего агента для максимизации осаждения и удаления оксианиона.
В дополнение к одному или более оксианионам и соответственным катионам металлов, остальная часть потока может иметь в своем составе воду и специфичные соединения в зависимости от источника водного потока. Пример соединений, которые могут присутствовать в водном потоке, включают, но не ограничены этим перечнем, неустойчивые катионы металлов, обогащенный углекислотой бикарбонат, цианид, органические вещества, флокулянты и/или плавающие вещества.
Независимо от состава веществ в водном потоке, очищаемом с целью снижения содержания оксианиона, поток может быть получен, подвергнут анализу и осаждению оксианиона. Водный поток может быть получен и собран с использованием одной или более резервуаров, обеспечив статический объем жидкости, который может быть подвергнут анализу и очистке перед сбросом. В качестве альтернативы, водный поток может быть подвергнут анализу в непрерывном режиме (к примеру, отводом части потока) и очищен с целью снижения содержания оксианиона во время его прохождения. В зависимости от источника очищаемый водный поток, содержащий оксианионы, может быть непрерывным потоком жидкости. Поток жидкости может быть в основном или полностью непрерывным в течение определенного промежутка времени, например, периода более 30 минут, более чем 24 часа или периода более чем 1 неделя.
В технологическом примере на ФИГ. 1 очищаемый водный поток принимается (10) и непрерывно измеряется для определения текущей концентрации катиона металла в потоке (12), а также текущей концентрации оксианиона (14). Непрерывное измерение концентрации катиона металла и концентрации оксианиона в потоке может использоваться для фиксации изменений в концентрации(ях) и обеспечения контроля дозировки осаждающего агента. В качестве текущей концентрации катиона металла может быть принят результат самого последнего измерения его концентрации в водном потоке. Аналогично, в качестве текущей концентрации оксианиона может быть принят результат самого последнего измерения его концентрации в водном потоке. Каждое новое измерение концентрации катиона металла и оксианиона в водном потоке может определять новую текущую концентрацию катиона металла и оксианиона, заменяя последние значения измерений. В других примерах, технология на ФИГ. 1 не включает непрерывное измерение и текущей концентрации катиона металла (12), и текущей концентрации оксианиона (14) в водном потоке, а только одного из двух значений.
На практике частота непрерывных измерений концентрации катиона металла и концентрации оксианиона может обуславливаться полученной в результате наблюдений изменчивостью концентрации катиона металла и/или концентрации оксианиона в потоке. Если концентрация(и) изменяется(ются) значительно в течение короткого промежутка времени (к примеру, ± 5%), будут уместны более частые измерения. В противоположность этому, если концентрация(и) изменяется(ются) значительно в течение длительного промежутка времени (например, сезонно, с изменениями количества осадков и температуры), достаточно менее частых измерений.
В различных случаях, можно обеспечить непрерывность измерений концентрации катиона металла и/или оксианиона, измеряя концентрацию катиона металла и/или оксианиона как минимум, 1 раз в день, 1 раз в 8 часов, 1 раз в 4 часа, 4 раз в час, 1 раз в полчаса или 1 раз в минуту. Частота, с которой измеряется концентрация катиона металла, может быть такой же или отличной от частоты измерений концентрации оксианиона. При этом, концентрация катиона металла и/или оксианиона может измеряться посредством отведения малой части основного водного потока и анализом его концентрации(ий) в непрерывном режиме. В противоположность этому, из водного потока могут быть взяты пробы для последующего анализа с целью определения концентрации(ий), например, с использованием автоматизированных или ручных лабораторных способик.
Многообразие различных способов может быть использовано для измерения концентрации одного или более катиона металла в очищаемом, с целью снижения содержания оксианиона, водном потоке. Как один из примеров, концентрация катиона металла в водном потоке может быть измерена спектрофотометрическим способом. При этом способе в водный поток добавляется связывающийся с катионом металла спектральный реагент. Затем свет (например, видимого спектра, ближней ультрафиолетовой области спектра и/или ближней инфракрасной области спектра) может быть направлен в анализируемый водный раствор, и при помощи фотометра измеряется интенсивность отражения или пропускания света. Спектрофотометрические свойства жидкости могут изменяться в зависимости от концентрации катиона металла, связанного со спектральным агентом, обеспечивая возможность измерений концентрации катиона металла.
В качестве другого примера, концентрация катиона металла в водном потоке может быть измерена спектрофлуориметрическим способом. Во время спектрофлуориметрии свет с определенной длиной волны или диапазона длин волн может быть направлен в анализируемый водный раствор, вызывая возбуждение молекул в жидкости и испускание ими флюоресцентного излучения различной длины волны или длин волн. Флуоресцентное излучение может быть измерено и сопоставлено с концентрацией катиона металла в водном растворе. В некоторых случаях, в соответствии с этим способом, в водный раствор может быть добавлен флуорофор, который связывается с катионом металла, образуя флуорофор-катион металла соединение. Флуорофор-катион металла соединение может испускать флюоресцентное излучение в ответ на энергию возбуждения, позволяя определить наличие и измерить количество катиона металла.
В качестве другого примера, концентрация катиона металла в водном потоке может быть измерена посредством измерения электропроводности. Например, для измерения электрического потенциала конкретного катиона металла в водном растворе может быть использован ионоселективный электрод. Ионоселективный электрод может включать мембрану, проницаемую для определенного иона и преобразователь или датчик, который преобразует активность катиона металла в водном растворе в электрический потенциал, который может быть измерен вольтметром или pH-метром. Электрический потенциал может быть сопоставлен с концентрацией катиона металла в водном растворе, позволяя определить текущую концентрацию катиона металла.
При условии постоянного измерения текущей концентрации катиона металла в водном растворе (14) в соответствии с технологией на ФИГ. 1, может быть непрерывно измерена концентрация всех катионов металлов, одного или нескольких более специфичных катионов металла. В общем случае, полезно измерять концентрацию катиона(ов) металла(ов), который(ые) связывается(ются) во время равновесной реакции осаждения, в результате которой в очищаемом водном потоке выпадает в осадок оксианион. Это потому, что концентрация(и) катиона(ов) металла(ов) может(гут) влиять на эффективность осаждения в процессе удаления оксианиона. Соответственно, в некоторых случаях, технология на ФИГ. 1 включает непрерывное измерение текущей концентрации этих катионов металлов, связывающихся с оксианионом(ами) в результате добавления осаждающих агентов для образования удаляемого осадка оксианиона. Концентрация других катионов металлов, которые не связываются с оксианионом, может также измеряться или не измеряться.
Многообразие различных способов может быть также использовано для измерения концентрации одного или более оксианиона в очищаемом, с целью снижения содержания оксианиона, водном потоке (14). Пример способа, который может с успехом использоваться для измерения концентрации оксианиона описана в приобщенной патентной заявке с названием «ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ОКСИАНИОНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЛЮМИНИЕВЫХ РЕАГЕНТОВ» и присвоенным номером патентного реестра 29805.189.1, полное содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.
В качестве одного из примеров, способ, который может быть использован для измерения концентрации оксианиона, является бариевый осаждающий агент, который может быть добавлен в анализируемую жидкость для формирования барий-оксианион осадка. Барий-оксианион осадок может быть измерен оптически, например, способом измерения мутности или спектрофотометрического отклика жидкости, содержащей барий-оксианион осадок. Оптический отклик может быть сопоставлен с концентрацией оксианиона, присутствующего в анализируемой жидкости, позволяя определить текущую концентрацию оксианиона. При этом способе может быть измерена концентрация всех оксианионов, осажденных при помощи бариевого осаждающего агента и принята в качестве текущей концентрации оксианиона в отличие от измерения концентрации конкретных соединений оксианионов (например, хромата, сульфата).
В качестве другого примера, концентрация оксианиона в водном потоке может быть измерена с использованием рамановской спектроскопии. При использовании рамановской спектроскопии, световой пучок, испускаемый, как правило лазером, направляется в образец жидкости, содержащей оксианионы. Световой пучок взаимодействует с молекулярными колебаниями, фононами или другими возбуждениями, в результате чего энергия световых фотонов смещается вверх или вниз. Изменения энергии дают информацию о колебательных модах в жидкости, которая в свою очередь может быть сопоставлена с концентрацией оксианионов. Таким образом, рамановская спектроскопия может дать информацию о текущей концентрации оксианиона.
В качестве дополнительного примера, концентрация оксианиона может быть измерена через электропроводность. В одном случае использования, в соответствии с этим примером, электропроводность жидкости, содержащей оксианион, измеряется прямым способом, т.е. измеряя электрическое сопротивления жидкости. Электропроводность жидкости может быть сопоставлена с текущей концентрацией оксианиона в жидкости. В другом случае использования, в соответствии с этим примером, для измерения электрического потенциала конкретного оксианиона в водном растворе может быть использован ионоселективный электрод. Ионоселективный электрод может преобразовывать активность оксианиона в водном растворе в электрический потенциал, который можно измерить при помощи вольтметра или pH-метра. Электрический потенциал может быть сопоставлен с концентрацией оксианиона в водном растворе, позволяя определить текущую концентрацию оксианиона (в частности, конкретного соединения оксианиона).
В качестве еще одного примера, оксианион а анализируемой жидкости может быть измерен оптически, соединив воедино флуорофор и алюминий. Примеры флуорофоров, которые могут быть использованы включают, но не ограничены этим списком, 1, 3, 6, 8-пирентетрасульфоновая кислота; 1-пиренсульфоновая кислота; 8-гидрокси-1, 3, 6-пиренсульфоновая кислота; γ-оксо-1-пиренмасляная кислота; 1-пиренкарбоновая кислота; 1, 5-нафталиндисульфоновая кислота и/или 1-нафтален сульфоновая кислота. Флуорофор-алюминий-оксианион комплекс может быть подвергнут спектрофлуориметрии, направив свет определенной дины волны или диапазона длин волн в анализируемый водный раствор, вынуждая свободный флуорофор (несвязанный флуорофор), оставшийся в образце, возбудиться и испускать флуоресцентное излучение различных длин волн/длины волны. Флюоресцентное излучение может быть измерено и сопоставлено с концентрацией оксианиона в водном растворе.
При условии постоянного измерения текущей концентрации оксианиона в водном растворе (14) в соответствии с технологией на ФИГ. 1, концентрации всех оксианионов могут быть измерены непрерывно или концентрация одного или более конкретного оксианиона (например, сульфата) может быть измерена непрерывно. Конкретный способ, используемый для измерения оксианиона(ов) с водном растворе, может определяться видом конкретного оксианиона, выделяемого из других соединений оксианионов, содержащихся в жидкости. Кроме того, следует отметить, что хотя способы для непрерывного измерения концентрации катиона металла (12) и непрерывного измерения концентрации оксианиона (14) были описаны как отдельные, в некоторых случаях, единый аналитический способ может одновременно измерить текущие концентрации катиона металла и оксианиона в потоке.
Вновь ссылаясь на ФИГ. 1, пример технологии включает определение дозировки осаждающего агента (16), основываясь на текущей концентрации катиона металла и текущей концентрации оксианиона, и затем добавление осаждающих агентов в водный поток (18) в пределах установленного лимита. Приемлемые осаждающие агенты могут быть выбраны на основе их способности реагировать с одним или более оксианионами, определенными для удаления из обрабатываемого водного потока. Например, к приемлемым осаждающим агентам могут относиться те, которые связываются с растворимыми оксианионами с образованием твердого осадка оксианиона, который может быть удален из очищаемого водного потока.
В некоторых случаях осаждающие агенты, используемые для снижения концентрации оксианиона в очищаемом водном потоке, содержат источник катиона металла и алюминиевый реагент. Катионы металлов из источника катионов металлов и алюминий из алюминиевого реагента могут связываться с растворимыми соединениями оксианионов, образовывая катион металла-оксианион-алюминий соединение, выпадающее в осадок в водном растворе. Катион металла-оксианион-алюминий соединения могут демонстрировать или не демонстрировать эттрингит-тип стехиометрии.
6
2
4
3
12
2
2+
К эттрингитам, как правило, относится класс ионных соединений, который охватывает минералы гидросульфоалюмината кальция с формулой CaAl(SO)(ОН)⋅26НО и группы аналогичных по химическому составу изоструктурных соединений. Например, весь или часть кальция могут быть заменены на один или более двухвалентные катионы металлов (к примеру, щелочноземельный металл, такой как Mg); весь или часть гидроксида могут быть заменены на один или более одновалентные анион ионы, такие как хлорид, фторид, иодид и бромид; весь или часть сульфата могут быть заменены на один или более другие оксианионы, такие как хромат, селенат, селенит, арсенат, нитрат, ванадат, борат и карбонат. В качестве примера, молибден, содержащий эттрингит, может иметь оксианион молибдат вместо одного или более аниона сульфата. Кроме этого, количество гидратационной воды может различаться.
6
2
x
y
z
2
4
3
3
4
3
Эттрингиты могут определяться более конкретно, как соединения с формулой СМ(OH)(A)(D)⋅E(HO), где C - один или более катион металла (например, двухвалентные катионы металлов); М - один или более трехвалентный металл; А - один или более оксианион с одним или более зарядами n-; D - один или более одновалентный анион с зарядом 1-; Е = 26 или 32; n = 1, 2, 3, или 4; x, y, и z определены так, что x+(y⋅n)+z=18, x>0, y>0 и . В том случае если эттрингит содержит более одного оксианиона, А с различными зарядами n-, то (y)(n) - сумма значения у для каждого оксианиона А помноженное назначение n для каждого соответственного оксианиона. Например, если А = (VO)(ClO), где VO имеет заряд 3-(n=3) и ClO имеет заряд 1-(n=1), то (у)(n) = (1)(3)+(3)(1)=6. Значения x, y, и z часто целые, хотя, это не обязательно, если не указано особо. Значения x, y, и z могут быть определены так, что z = 0, х = 12, и (y⋅n) = 6, хотя, это тоже не обязательно, если не указано особо.
При добавлении источника катиона металла и алюминиевого реагента в обрабатываемый водный поток, может образоваться осадок катиона металла алюмо-оксианиона гидроксида гидрата. Этот осадок может быть выделен из водного потока, снижая концентрацию оксианиона в водном потоке. Например, при добавлении источника кальция и источника алюминиевого реагента в дренаж горных пород, содержащий сульфат кальция, образовывается соединение кальций-алюмо-сульфата, которое осаждается в водном потоке. Этот осадок может быть удален из дренажа горных пород, снижая концентрацию сульфата в сточных водах.
2+
На основании некоторых примеров настоящего изобретения, было установлено, что осаждение оксианиона на основе алюминия не следует эттрингит-стехиометрическим связям между катионом металла (к примеру, Са) и алюминием в рассматриваемом диапазоне. Например, в результате добавления источника катиона металла и алюминиевого реагента в оксианион содержащий поток, полученный осадок может демонстрировать более низкую концентрацию оксианиона (соответствующую более высокой концентрации катиона металла и алюминия), которая была бы обусловлена в соответствии с эттрингит-стехиометрией, в которой соотношение между катионом металла, алюминием и оксианионом было 6:2:3. В этом случае, добавление источника катиона металла и алюминиевого реагента в очищаемый водный поток в эттрингит-стехиометрических пропорциях может блокировать формирование отличного от эттрингит-оксианион осадка. Избыток катиона металла и/или алюминия может нарушить равновесие реакции осаждения оксианиона, снижая образование осадка оксианиона.
Не желая быть связанным какой-либо конкретной теорией, существует мнение, что в некоторых случаях дозировка при эттрингит-стехиометрии увеличивает время, необходимое для достижения целевой концентрации оксианиона в очищаемом водном потоке, по сравнению с дозировкой при стехиометрии, отличной от эттрингит-стехиометрии. Например, было замечено, что в некоторых случаях оксианионы осаждаются при стехиометрии, отличной от эттрингит-стехиометрии, и следовательно, требуется дозировать источник катиона металла и/или алюминиевый реагент в соотношениях и количествах, отвечающих стехиометрии, отличной от эттрингит-стехиометрии формирования осадка. Например, количество источника катиона металла и алюминиевого реагента, добавленного в водный поток, может быть эффективным для достижения соотношения источника катиона металла и алюминия в потоке в соответствии с экспериментальным соотношением источника катиона металла и алюминия для образования результирующего осадка, имеющего стехиометрию отличную от эттрингит-стехиометрии. Общее количество добавляемых источника катиона металла и алюминиевого реагента может также определяться целевым уровнем оксианиона в водном потоке после очистки.
В случаях осаждения оксианиона при эттрингит-стехиометрии, источник катиона металла и алюминиевый реагент может быть добавлен в водный поток в эттрингит-стехиометрическом соотношении (т.е. три моля двухвалентного катиона металла к молю алюминия). В противоположность, в случаях, где оксианион осаждается при стехиометрии, отличной от эттрингит-стехиометрии, источник катиона металла и алюминиевый реагент могут быть добавлены в водный поток в количествах, эффективных для обеспечения стехиометрического соотношения, отличного от эттрингит-стехиометрического соотношения катиона металла, алюминия и оксианионам в водном потоке.
Например, количество источника катиона металла и количество алюминиевого реагента, которое должно быть добавлено в очищаемый водный поток, может быть определено на основе предполагаемой стехиометрии результирующего осадка оксианиона, текущей концентрации катиона металла и текущей концентрации оксианиона в водном потоке. На практике, тестовый осадок может быть образован добавлением источника катиона металла и алюминиевого реагента к образцу очищаемого водного потока. Полученный осадок может быть проанализирован (например, в аналитической лаборатории) чтобы определить стехиометрическое соотношение катиона металла к алюминию в осадке. Стехиометрическое соотношение может варьироваться в зависимости от конкретного оксианиона, присутствующего в очищаемом водном потоке, так же как от типа источника катиона металла и алюминиевого реагента, выбранного в качестве осаждающего агента. Определенное стехиометрическое соотношение осадка может быть установлено, как предполагаемая стехиометрия осадка, образующегося во время последующего осаждения оксианиона и его удаления.
Соотношение молей добавляемого в водный поток катиона металла к молям добавляемого в поток алюминия может варьироваться, например, на основе предполагаемой стехиометрии полученного осадка оксианиона, источника катиона металла и алюминиевого реагента, выбранного в качестве осаждающего агента. В некоторых случаях количество источника катиона металла, добавляемого в водный поток, эффективно для обеспечения диапазона концентрации катиона металла от 2 молей катиона металла к молю оксианиона, планируемого для удаления, до 20 молей катиона металла к молю оксианиона, планируемого для удаления, в то время как количество алюминиевого реагента, добавляемого в водный поток, эффективно для обеспечения концентрации алюминия от 0,5 моля алюминия к молю оксианиона, планируемого для удаления, до 8 молей алюминия к молю оксианиона, планируемого для удаления. Действительное количество источника катиона металла и алюминиевого реагента, добавляемых к водному потоку для достижения этих концентраций будет различно, в частности, основано на текущей концентрации катиона металла в потоке, текущей концентрации оксианиона в потоке, объеме потока и конкретных соединениях оксианиона в потоке. Количество молей оксианиона, планируемого к удалению, может быть разницей между текущей концентрацией оксианиона и целевой концентрацией оксианиона после очистки. Например, если очищаемый водный поток имеет текущую концентрацию оксианиона 1000 млн-1 и целевой порог концентрации оксианиона после очистки составляет 200 млн-1, целевое количество молей оксианиона для удаления будет соответствовать 800 млн-1.
На практике, оксианион может осаждаться при стехиометрии, отличной от эттрингит-стехиометрии. Соответственно, источник катиона металла и алюминиевый реагент могут быть дозированы таким образом, чтобы соотношение источника катиона металла и алюминиевого реагента в очищаемом потоке отвечало (т.е. практически было равно) условиям стехиометрии, отличной от эттрингит-стехиометрии осаждения. Например, образуемый осадок катион металла-алюминий может иметь большее количество катиона металла, такое же, меньшее или большее количество алюминия, нежели это будет отвечать условиям эттрингит-стехиометрии. Например, эттрингит-стехиометрия нормально соответствует соотношению между катионом металла, алюминием и оксианионом как 6:2:3. В том случае, если оксианион осаждается при стехиометрии, отличной от эттрингит-стехиометрии, соотношение между катионом металла и оксианионом может быть больше чем 6:3, в то время как соотношение между алюминием и оксианионом может быть меньше чем, равно или больше чем 2:3. Источник катиона металла и алюминиевый реагент могут дозироваться таким образом, чтобы отношение источника катиона металла к алюминиевому реагенту в потоке было в пределах этих вышеупомянутых соотношений.
К тому же, отношение молей катиона металла, добавляемого в водный поток, к молям алюминия, добавляемого в водный поток, может варьироваться в зависимости от соединений оксианиона, планируемого для осаждения и удаления, а также концентрации оксианиона в потоке. Различные соединения оксианиона могут образовывать осадок катиона металла алюмо-оксианиона гидроксида гидрата, имеющий различные стехиометрические соотношения алюминия и катиона металла. Кроме того, стехиометрическое соотношение может варьироваться в зависимости от концентрации оксианиона в потоке. Соответственно, корректировка количества источника катиона металла и алюминиевого реагента, добавляемого в очищаемый водный поток, основанного на соединениях оксианиона, планируемого к удалению, и/или текущей концентрации в потоке, может повысить эффективность удаления. Следующая таблица демонстрирует типовые целевые концентрации катиона металла и алюминия для различных соединений оксианиона, планируемого к осаждению и удалению. Количество источника катиона металла и количество алюминиевого реагента, добавляемых в очищаемый водный поток, может быть эффективным для обеспечения концентраций и соотношений в каких-либо вышеупомянутых диапазонах.
В эксплуатации, количество источника катиона металла и количество алюминиевого реагента, которое должно быть добавлено в очищаемый водный поток, может быть определено на основе текущей концентрации катиона металла и текущей концентрации оксианиона в водном потоке и/или ожидаемой стехиометрии результирующего формируемого осадка оксианиона. Кроме того, количество источника катиона металла и количество алюминиевого реагента, которое должно быть добавлено в очищаемый водный поток может быть основано на целевом количестве оксианиона, который должен быть удален (в частности, в соответствии с количеством оксианиона, который может быть оставаться в водном потоке после очистки).
Количество источника катиона металла и алюминиевого реагента, которое должно быть добавлено в очищаемый водный поток эффективно, чтобы обеспечить соотношение катиона металла и алюминиевого реагента в водном потоке, отвечающее (т.е. равное) предполагаемой стехиометрии результирующего осадка оксианиона. Как правило, ожидаемо, что входящий водный поток содержит малое количество алюминия или не содержит совсем, таким образом, алюминий, необходимый для процесса осаждения, будет обеспечен за счет алюминиевого реагента. По этой причине, можно не измерять непрерывно концентрацию алюминия в водном потоке для отслеживания изменений содержания алюминия (хотя, в других случаях, концентрация алюминия также может отслеживаться, чтобы определить текущую концентрацию алюминия, и дозировка алюминиевого реагента также основана на текущей концентрации алюминия). В противоположность, входящий водный поток, содержащий оксианион, может содержать катион металла с вариабельной во времени концентрацией. Измеренная в потоке текущая концентрация катиона металла может быть использована для корректировки количества добавляемого в поток источника катиона металла, так, чтобы катион металла и алюминиевый реагент, присутствующие в водном потоке после добавления осаждающего агента находились в соотношении, отвечающем предполагаемой стехиометрии результирующего осадка оксианиона.
Кроме того, определенная в потоке текущая концентрация оксианиона может быть использована для корректировки и источника катиона металла, и алюминиевого реагента, добавляемых в поток. Во многих случаях, требуется очистить водный поток, содержащий соединения оксианиона, чтобы снизить концентрацию соединений оксианиона ниже порогового концентрационного уровня. Концентрационный уровень может быть нормативным уровнем (например, максимальным лимитом концентрации), при превышении которого, водный поток не может быть сброшен в окружающую среду. Соответственно, количество источника катиона металла и алюминиевого реагента, добавляемых в поток, могут быть эффективными, при снижении концентрации соединений оксианиона в потоке с текущей концентрации оксианиона ниже порогового уровня концентрации.
В различных примерах, количество источника катиона металла и алюминиевого реагента, добавляемых в водный поток, эффективно при осаждении, как минимум, 10% по массе от соединений оксианионов, присутствующих в очищаемом водном потоке, как минимум, 25% по массе, как минимум. 50% по массе или, как минимум, 75% по массе. Например, количество источника катиона металла и алюминиевого реагента, добавляемых в водный поток может быть эффективным, чтобы осадить от 10% по массе от соединений оксианиона, присутствующего в водном потоке, до 80% по массе от соединений, в том числе, от 25% по массе до 65% по массе от соединений.
Конкретный целевой порог концентрации оксианиона в очищаемом водном потоке будет варьироваться в зависимости от оксианиона, удаленного из потока. Кроме того, в случаях, когда необходимо удалить из водного потока много различных соединений оксианиона, возможно наличие множественной цели по концентрационным порогам для оксианиона в очищаемом водном потоке, с разными порогами для разных соединений оксианиона. В случае сульфата, целевой концентрационный порог для сульфата в очищаемом водном потоке может быть менее, чем 2000 млн-1, например менее 1000 млн-1, менее 500 млн-1, менее 200 млн-1 или менее 100 млн-1. Например, целевой концентрационный порог для сульфата в очищаемом водном потоке может иметь диапазон от 50 млн-1 до 1200 млн-1, в том числе, от 100 млн-1 до 750 млн-1, от 200 млн-1 до 1000 млн-1, от 100 млн-1 до 400 млн-1. Количество источника катиона металла, добавленного в водный поток (если требуется) и количество алюминиевого реагента, добавленного в водный поток, может быть эффективным для снижения концентрации оксианиона в водном потоке ниже, или достижении пределов вышеприведенных значений или диапазонов.
В некоторых случаях, оператору может потребоваться удалить практически весь оксианион, присутствующий в очищаемом водном потоке, так, чтобы очищенный водный поток имел низшую концентрацию оксианиона (например, менее 50 млн-1 оксианиона, менее 15 млн-1 оксианиона, менее 5 млн-1 оксианиона). В этих случаях, количество источника катиона металла и количество алюминиевого реагента, добавленного в очищаемый водный поток, может быть выбрано на основе эффективности осаждения практически всего оксианиона, присутствующего в потоке. В других случаях, может потребоваться удаление меньшего количества, чем количество всего оксианиона, присутствующего в очищаемом водном потоке, например, только снизив концентрацию оксианиона ниже отличного от нуля целевого концентрационного уровня. Это может ограничить стоимость очистки водного потока, снижая количество осаждающего агента, добавленного в поток.
Для снижения концентрации оксианиона в очищаемом водном потоке могут использоваться любые приемлемые источник(и) катиона металла и алюминиевый(е) реагент(ы). Выбор конкретных источника катиона металла и алюминиевого реагента может быть основан на таких факторах, как стоимость, токсичность осаждающего агента, полученный осадок, химическая совместимость с осаждаемым оксианионом и другими соединениями, присутствующими в водном потоке.
В различных примерах источник катиона металла может быть источником, который дает катионы группы I (щелочной металл), двухвалентные катионы металла (в частности, железо (II), кальций, магний) и катионы группы II (щелочноземельный металл). Источник катиона металла может быть или может не быть основным, таким образом, добавление источника катиона металла в водный поток увеличивает pH потока. Примеры источников катиона металла включают, но не ограничены этим перечнем, гидроксид кальция, оксид кальция, кальция хлорид, магния гидроксид, доломитовую известь, летучую золу и глину. Источник катиона металла может поставляться в виде сухого вещества, раствора или суспензии.
Для образования на основе алюминия, осадка оксианиона, в качестве алюминиевого реагента, может быть использован любой приемлемый источник алюминия. Алюминиевый реагент может быть основным, благодаря чему добавление алюминиевого реагента в водный поток увеличивает pH потока, кислым, благодаря чему добавление алюминиевого реагента в водный поток снижает pH потока, или практически pH-нейтральным. Примеры алюминиевых реагентов включают, но не ограничены этим перечнем, квасцы (сульфат алюминия), алюминат натрия, алюминат кальция, хлорид алюминия, полиоксихлорид алюминия, гидроксид алюминия, ацетат алюминия, нитрат алюминия и летучую золу. В то время как алюминиевый реагент и источник катиона металла в основном описаны в качестве отдельных осаждающих агентов, в других примерах один осаждающий агент может работать в качестве двух, и алюминиевого реагента, и источника катиона металла. Например, в случае использования алюмината кальция, он может работать в качестве источника катиона металла и алюминиевого реагента. В любом случае, алюминиевый реагент может быть поставлен в виде сухого вещества, раствора или суспензии.
2+
2-
4
Один неограничивающий пример, каким образом, на основе текущей концентрации катиона металла и текущей концентрации оксианиона в водном потоке, может быть определено количество источника катиона металла и алюминиевого реагента. Предположим, очищаемый водный поток содержит 2000 млн-1 сульфата кальция (количество, соответствующее текущей концентрации катиона металла Са 589 млн-1 и текущей концентрации оксианиона SO 1411 млн-1). Далее предположим, что целевая концентрация сульфата в очищаемом водном потоке 200 млн-1, в качестве источника катиона металла выступает гидроксид кальция, а в качестве алюминиевого реагента - алюминат натрия. Если предполагается, что образовавшийся, на основе алюминия, осадок имеет стехиометрическое соотношение кальция, алюминия и сульфата, как 8,02 : 2 : 3,34, то количество гидроксида кальция и алюминиевого реагента, которые должны быть добавлены в водный поток, составит 510 млн-1 алюмината натрия и 762 млн-1 алюмината кальция.
Технологическом пример на ФИГ. 1 включает добавление отобранного(ых) осаждающего(их) агента(ов) в водный поток, содержащий оксианион (18) в установленном(ых) уровне(ях) дозировки. Источник катиона металла и алюминиевый реагент могут быть добавлены в очищаемый водный поток одновременно или последовательно. В одном примере алюминиевый агент добавлялся в водный поток перед добавлением источника катиона металла. После добавления алюминиевый реагент может начать связываться с катионом металла, уже присутствующим в водном потоке, образовывая катион металла-алюмо-оксианион соединения. Затем в водный поток может быть добавлен источник катиона металла, который обеспечивает дополнительные катион металла-алюмо-оксианион соединения и/или связывает дополнительные неосажденные молекулы оксианиона, присутствующие в водном потоке.
В некоторых примерах алюминиевый реагент и источник катиона металла соединяются или смешиваются в водном потоке или статическом водном растворе, содержащем оксианион, предназначенный для осаждения, в частности, с использованием мешалки с приводом или статического смесителя. В других случаях алюминиевый реагент и источник катиона металла впрыскивались в движущийся водный поток и, благодаря турбулентности, осаждающие агенты размешивались по всему потоку. Несмотря на то, что время реакции может варьироваться, в некоторых случаях алюминиевый реагент смешивался с водным потоком, как минимум, 5 минут (в частности, от 5 до 30 минут), прежде чем в поток добавлялся источник катиона металла. По завершении добавления в водный поток источника катиона металла, для эффективного образования осадка оксианиона, полученный раствор может смешиваться, как минимум, 20 минут (в частности, от 30 минут до 1 часа).
Для образования катион металла-алюмо-оксианион осадка сразу после добавления алюминиевого реагента и/или источника катиона металла, водный поток может нуждаться в корректировке pH для достижения диапазона формирования осадка. Осадки эттрингит типа обычно формируются в диапазоне pH от 10,5 до 13 (в частности, от 11 до 13). Соответственно, в этих случаях диапазон pH водного потока может быть скорректирован до диапазона pH 10,5 - 13 (в частности, 11 - 13), посредством добавления в водный поток основания. В некоторых случаях, источник катиона металла и/или алюминиевый реагент выступают в качестве основания, таким образом, добавление источника катиона металла и/или алюминиевого реагента достаточно для увеличения pH потока до достижения диапазона формирования осадка катиона металла алюмо-оксианиона гидроксида гидрата. Например, при использовании магния или гидроксида кальция в качестве источника катиона металла, оба вещества, и магний, и гидроксид кальция могут быть источником катионов металла для водного потока и увеличивать pH потока. В других примерах, в водный поток, в дополнение к источнику катиона металла и алюминиевому реагенту добавляется отдельное основание (в частности, источник гидроксида), такой как гидроксид натрия или гидроксид калия.
После формирования катион металла-алюмо-оксианион осадок может быть удален из очищаемого водного потока с использованием каких-либо приемлемых сепарационных процессов. Примеры сепарационных технологий включают, но не ограничены этим перечнем, фильтрацию, центрифугирование, декантирование и гравитационное осаждение. После сепарации осадка оксианиона из водного потока, очищенный поток может быть повторно использован в в производственном процессе или сброшен с использованием приемлемого водосброса, такого как река, озеро или городской канализационный коллектор. pH потока после удаления осадка и перед повторным использованием либо сбросом потока, может быть снижен, посредством добавления кислотного раствора или кислотообразующего агента (в частности, двуокиси углерода). После очистки вода может удовлетворять нормативным требованиям по содержанию оксианиона и возвращена для использования в производственном процессе или сброшена в окружающую среду.
ФИГ. 2 блок-схема, иллюстрирующая другой пример процесса для снижения концентрации одного или более оксианионов в водном растворе, как например, водохранилище или очищаемом потоке воды, содержащем оксианионы. Процесс на ФИГ. 2 может быть выполняться независимо или в совокупности с примером процесса на ФИГ. 1. Водный раствор может быть получен из широкого ряда различных промышленных процессов и иметь любые соединения катиона металла и оксианиона, в любых концентрациях, как было рассмотрено выше, применительно в ФИГ. 1. В некоторых случаях водный раствор это сброс, пульпа, смыв поверхности и/или фильтрационная вода из разрабатываемого месторождения, отвала угольных отходов, строительной площадки, химического завода или других мест.
В технологии на ФИГ. 2 очищаемый водный раствор, содержащий соединения оксианиона, проходит опционально ступень предварительной очистки (20). Во время ступени предварительной очистки можно выполнить механическую фильтрацию раствора, в частности, применяя мембранное разделение, микрофильтрацию, нанофильтрацию, обратный осмос, прямой осмос или песчаный фильтр. Это может собрать оксианионы в отводимом потоке для дальнейшей обработки. Кроме этого или в качестве альтернативы, в раствор может быть добавлен химический осаждающий агент, чтобы осадить из раствора тяжелые металлы. Например, в случае, если водный раствор содержит тяжелые металлы, такие как железо, хром, кобальт, цинк и/или никель, в раствор может быть добавлен источник гидроксида, чтобы осадить из раствора тяжелые металлы. При использовании источника гидроксида, такого как пероксид или гидроксид, он может быть добавлен в водный раствор в количестве, эффективном для осаждения практически всех тяжелых металлов, присутствующих в растворе. Осажденные тяжелые металлы могут быть удалены из раствора перед выполнением следующего процесса.
После опциональной ступени предварительной очистки (20), технология на ФИГ. 2 включает опционально ступень предварительного осаждения оксианиона (22). Ступень предварительного осаждения оксианиона (22) может быть полезной для водных растворов, имеющих высокую концентрацию соединений оксианиона, которые должны быть удалены прежде, чем раствор станет приемлемым для сброса. Для осаждения из раствора части оксианиона во время стадии предварительного осаждения (22), в раствор, содержащий оксианион, может быть добавлен реагент на базе основного щелочноземельного металла. Примеры реагентов на базе основных щелочноземельных металлов включают, но не ограничены этим перечнем, негашеная известь, гашеная известь, карбонат кальция, силикат кальция, гидроксид кальция, оксид кальция и сернокислый кальций (например, в тех случаях, когда раствор очень насыщенный), а также любую их комбинацию. Реагент на базе основного щелочноземельного металла может дозироваться в количестве, эквивалентом примерно одному молю реагента на моль оксианиона, планируемого к удалению, большей или меньшей дозировке, в зависимости от обстоятельств. Добавление реагента основного щелочноземельного металла к водному раствору может выделить в осадок из водного раствора первую порцию оксианиона, образовывая водный раствор, содержащий сниженную концентрацию оксианиона.
Например, в случаях, когда водный раствор содержит сульфат кальция, добавление осаждающего агента, содержащего гидроксид кальция, такого как негашеная известь, может образовывать осадок сернокислого кальция. Негашеная известь может быть добавлена в виде суспензии или другой форме на приемлемый промежуток времени (в частности, от 30 до 60 минут), чтобы позволить формирование осадка сернокислого кальция. В некоторых случаях, чтобы содействовать началу осаждения из раствора сернокислого кальция, добавляются затравочные кристаллы сернокислого кальция из осадка предшествующих стадий. После образования, осадок сернокислого кальция может быть удален из водного раствора, с использованием сепарационных технологий, чтобы снизить концентрацию оксианиона перед следующим процессом. Вследствие того, что сернокислый кальций, как правило, раствори в воде, некоторая часть оксианиона сульфата (в частности, от 1100 млн-1 до 1500 млн-1) может оставаться в водном растворе и требует дальнейшей очистки.
Для способствования процессу контроля дозировки реагента на базе основного щелочноземельного металла (если используется), в водном растворе может непрерывно контролироваться концентрация катиона металла и оксианиона, как рассмотрено выше, применительно к ФИГ. 1 чтобы получить текущую концентрацию катиона металла и/или текущую концентрацию оксианиона. Количество реагента на базе основного щелочноземельного металла, который добавляется в водный раствор, может быть основано на текущей концентрации катиона металла и/или текущей концентрации оксианиона. В других случаях, реагент на базе основного щелочноземельного металла добавляется в водный раствор без измерения текущей концентрации катиона металла и/или текущей концентрации оксианиона в растворе, например, на основании целевых данных дозировки за прошлый период. И все-таки в дальнейших примерах, таких когда концентрация оксианиона во входящем водном растворе сравнительно низка (в частности, 1500 млн-1 или ниже), ступень предварительного осаждения оксианиона может быть абсолютно исключена.
Независимо от того, измеряется ли в водном растворе текущая концентрация катиона металла и/или оксианиона перед опциональным добавлением реагента на базе основного щелочноземельного металла, для контроля его дозировки (22), технология на ФИГ. 2 включает непрерывное измерение концентрации одного или более соединений катиона металла и одного или более соединений оксианиона в растворе (24), чтобы определить уровни дозировки осаждающего агента (26) и добавить в раствор осаждающий агент в соответствии с определенными уровнями дозировки (28). Как рассмотрено выше применительно к ФИГ. 1, количество источника катиона металла и количество алюминиевого реагента, которое должно быть добавлено в очищаемый водный раствор, может быть определено на основе текущей концентрации катиона металла и текущей концентрации оксианиона в растворе и/или ожидаемой стехиометрии результирующего формируемого осадка оксианиона. К тому же, количество источника катиона металла и количество алюминиевого реагента, которое должно быть добавлено в водный раствор, может быть основано на целевом количестве оксианиона, который должен быть удален из водного раствора (в частности, в соответствии с количеством оксианиона, который может быть оставаться в водном потоке после очистки). Количество источника катиона металла и/или алюминиевого реагента, которое должно быть добавлено в водный раствор, может быть определено в пределах диапазона значений, рассмотренных выше применительно к ФИГ. 1.
В случаях, когда, с целью получения водного раствора имеющего сниженную, целевую для дальнейшего снижения, концентрацию соединений оксианиона, выполняется стадия предварительного осаждения оксианиона (22), источник катиона металла и/или алюминиевый реагент могут быть добавлены в раствор, имеющий сниженную концентрацию соединений оксианиона. Это может осадить из водного раствора вторую порцию соединений оксианиона (первая порция была осаждена во время стадии предварительного осаждения), образовывая водный раствор, имеющий еще более сниженную концентрацию оксианиона.
В некоторых случаях, добавка увеличенного количества источника катиона металла и/или алюминиевых реагентов может увеличить количество формируемого осадка и соответственно поглощенного оксианиона из водного раствора до тех пор, пока не будет достигнута концентрационная точка перелома для источника катиона металла и/или алюминиевых реагентов. Увеличение концентрации источника катиона металла и/или алюминиевых реагентов в водном растворе выше точки перелома может снизить количество формируемого осадка, увеличивая количество оксианиона, оставшегося в растворе после очистки:
В таких ситуациях количество добавляемых в водный раствор источника катиона металла и/или алюминиевого реагента может быть выбрано таким образом, чтобы максимизировать количество осажденного из раствора оксианиона. Например, водный раствор может подвергнут анализу посредством ступенчато-возрастающего количества источника катиона металла и/или алюминиевого реагента, добавляемого в раствор, и измерением количества образовавшегося осадка/концентрации несвязанного оксианиона, оставшегося в растворе. Количество источника катиона металла и/или алюминиевого реагента, эффективное, чтобы максимизировать осаждение оксианиона, может быть определено посредством идентификации концентрационной(ых) точки(ек) перелома, при которых добавление меньшего количества или большего количества источника катиона металла и/или алюминиевого реагента уменьшает количество осаждаемого оксианиона. Соответственно, источник катиона металла и/или алюминиевый реагент может быть добавлен в водный раствор в количествах, соответствующих этим определенным, как эффективные, чтобы максимизировать количество осажденного из водного раствора оксианиона.
Как рассмотрено выше применительно к ФИГ. 1, pH водного раствора может корректироваться одновременно с или после добавления источника катиона металла и/или алюминиевого реагента в раствор. Например, pH может быть скорректирован в диапазон от 10,5 до 13 (в частности от 11 до 13) при помощи основного источника катиона металла и/или алюминиевого реагента и/или добавлением в раствор, помимо источника катиона металла и алюминиевого реагента, pH-корректирующего основания. После формирования катион металла-алюмо-оксианион осадок может быть удален из очищаемого водного раствора с использованием каких-либо приемлемых сепарационных процессов, включая рассмотренные выше, применительно к ФИГ. 1.
После удаления осадка оксианиона из водного раствора, технология на ФИГ. 2 включает опциональное снижение pH раствора, перед его сбросом. Для снижения pH водного раствора могут быть использованы любые подходящие кислотные растворы, включая слабые органические кислоты и сильные неорганические кислоты. В одном примере, водный раствор подвергается карбонизации, посредством впрыскивания в поток двуокиси углерода. Двуокись углерода может реагировать с гидроокисью металла (в частности, с гидроокисью кальция), образовывая карбонат металла и снижая pH раствора. После очистки вода может удовлетворять нормативным требованиям по содержанию оксианиона и возвращена для использования в производственном процессе или сброшена в окружающую среду.
Способы, описанные в настоящем изобретении, могут быть внедрены в виде автоматической системы, измеряющей концентрацию оксианиона и/или концентрацию катиона металла в водном растворе, таком водный поток, требующий очистки. Используя определенную концентрацию оксианиона и/или концентрацию катиона металла, а также сохраненную в памяти информацию о концентрации/уровне дозировки, автоматизированная система может определять количество алюминиевого реагента, источника катиона металла и/или других реагентов для добавления в раствор, чтобы достичь желаемого снижения концентрации оксианиона. В некоторых случаях, автоматизированная система может управлять насосами, инжекционными клапанами и/или транспортно-загрузочными устройствами для загрузки жидкостей и твердых веществ, чтобы добавлять в водный раствор алюминиевый реагент, источник катиона металла и/или другие реагенты в определенном количестве.
При внедрении в качестве автоматизированной системы, способы мониторинга, анализа и определения количества вещества настоящего изобретения, могут быть реализованы в аппаратном и программном обеспечении, микропрограммном обеспечении или их комбинациях. Например, различные аспекты способов могут быть внедрены при помощи одного и более процессоров, включая один или более микропроцессор, микросхем DSP, ASIC, FPGA или с использованием других интегрированных или дискретных логических схем, также как и их комбинаций. Такое аппаратное, программное и микропрограммное обеспечение может быть реализовано в одном устройстве или с использованием отдельных устройств для поддержки различных операций и функций, описанных в настоящем изобретении. При внедрении посредством программного обеспечения, функциональность. приписываемая системам, устройствам и оборудованию, описанная в настоящем изобретении, может быть воплощена в виде инструкций, записанных на одном или более энергонезависимых машиночитаемых носителях, таких как RAM, ROM, NVRAM, EEPROM, флэш-памяти, магнитных запоминающих устройствах, средствах оптического хранения информации или подобных. Инструкции могут выполняться для поддержки одного или более аспектов функциональности, описанной в настоящем изобретении.
ФИГ. 3 концептуальная схема, иллюстрирующая пример системы 100, которая может быть использована для очистки воды, содержащей оксианионы, с целью снизить концентрацию оксианионов в соответствии со способом, описанным применительно к ФИГ. 1 и 2. Система 100 включает один или более датчиков, которые показаны, как первый датчик 102А и второй датчик 102В. Система 100 также включает первый резервуар 104А и второй резервуар 104В, контроллер 106, первый насос 108А и второй насос 108В. Первый и второй резервуары, 104А и 104В могут выступать в качестве хранилищ и источников химических агентов, которые должны быть смешаны с водным потоком, подлежащим очистке. Например, первый резервуар 104А может хранить агент, содержащий катион металла, а второй резервуар 104В алюминиевый реагент. Первый и второй датчики, 102А и 102В, выполнен с возможностьюы, чтобы получать образцы водного потока, подлежащего очистке, и анализировать поток, чтобы установить его характеристики. Например, первый датчик 102А может непрерывно измерять концентрацию катиона металла в водном потоке, обеспечивая данные, показывающие текущую концентрацию катиона металла в потоке, второй датчик 102В может непрерывно измерять концентрацию оксианиона в водном потоке, обеспечивая данные, показывающие текущую концентрацию оксианиона в потоке. Первый и второй датчики, 102А и 102В, могут быть реализованы с использованием какого-либо аппаратного обеспечения или комбинации аппаратных средств, нуждающихся в приспособлении к измерительным способам, рассмотренным выше, применительно к ФИГ. 1 и 2.
В работе первый и второй датчики, 102А и 102В, могут обмениваться данными с контроллером 106, а контроллер 106 может управлять системой 100 на основе информации о концентрации, поставляемой датчиками. Контроллер 106 связан каналами передачи данных с первым и вторым датчиками, 102А и 102В, а также с первым и вторым насосами, 108А и 108В. Контроллер 106 включает процессор 112 и память 114. Контроллер 106 обменивается данными с первым и вторым насосами, 108А и 108В посредством соответствующих каналов связи 116А и 116В. Сигналы, генерируемые первым и вторым датчиками, 102А и 102В, поступают в контроллер 106 посредством проводных или беспроводных связей, которые в примере на РИС, 3 показаны, как проводные соединения 118А и 118В. Память 114 хранит программное обеспечение для управления контроллером 106, а также может хранить сгенерированные данные или данные, полученные от процессора 112, например, от первого и второго датчиков 102А и 102В. Процессор 112 запускает программное обеспечение, хранящееся в памяти 114 для того, чтобы управлять работой системы 100.
В примере на РИС, 3 система 100 выполнен с возможностьюа для снижения концентрации одного или более оксианионов, присутствующих в очищаемом водном потоке. Например, система 100 может управлять добавлением источника катиона металла из первого резервуара 104А и алюминиевого реагента из второго резервуара 104В на основе текущей концентрации катиона металла, определенной первым датчиком 102А и текущей концентрации оксианиона, определенной при помощи датчика 102В. Под управлением контроллера 106 первый датчик 102А может получать часть водного потока, подлежащего очистке, анализировать эту часть для определения текущей концентрации катиона металла. Также под управлением контроллера 106 второй датчик 102В может получать часть водного потока, подлежащего очистке, анализировать эту часть для определения текущей концентрации оксианиона. В других конфигурациях система 100 может использовать один датчик для измерения и текущей концентрации катиона металла, и текущей концентрации оксианиона. Или же, система 100 может включать еще и дополнительный датчик (например, датчик измерения текущей концентрации алюминия) и управлять добавлением осаждающего агента на основе данных, полученных от дополнительного датчика.
В ответ на данные о концентрации, полученные от первого и второго датчиков, 102А и 102В, контроллер 106 может управлять первым и вторым насосами, 108А и 108В, механически нагнетая определенное количество химических агентов из первого и второго резервуаров, 104А и 104В соответственно. Химические осаждающие агенты, поступающие из первого и второго резервуаров, 104А и 104В, могут смешиваться с водным потоком, подлежащим очистке, для осаждения из потока оксианиона. В некоторых случаях в систему 100 включена мешалка (в частности, мешалка с приводом или статический смеситель) для размешивания химических осаждающих агентов, добавляемых в очищаемый водный поток.
В некоторых случаях, процессор 112 контроллера 106 получает информацию о концентрации от первого и второго датчиков, 102А и 102В, и сравнивает ее с одной или более пороговой концентрацией, информация о которой сохранена в памяти 114, как пороговые концентрации. На основе сравнения контроллер 106 может корректировать систему 100 таким образом, что концентрация катиона металла и концентрация алюминия, добавляемая в водный поток, согласована с концентрацией оксианиона, присутствующего в очищаемом водном потоке. Например, контроллер 106 может настроить систему 100 на основе текущей концентрации катиона металла и текущей концентрации оксианиона так, чтобы обеспечить дозировку осаждающего агента в соответствии со стехиометрией осаждения оксианиона, уже удаленного через осаждение. Контроллер 106 может также настроить систему 100 на основе входных пользовательских установок целевого порога, ниже которого должна быть уменьшена концентрация оксианиона, таким образом, чтобы контролировать общее количество осаждающего агента, который должен быть добавлен в очищаемый водный поток. Контроллер 106 может также получать информацию о таких целевых порогах, получая входные пользовательские данные посредством интерфейса пользователя и сохраняя входные данные в памяти 114.
Например, контроллер 106 может настроить систему 100 на основе текущей концентрации катиона металла и текущей концентрации оксианиона так, чтобы дозировать в очищаемый водный поток агент, содержащий катионы металлов и алюминиевый реагент в количествах, эффективных для обеспечения соотношения количества катиона металла в молях и количества оксианиона в молях в диапазоне от 2 до 20 и соотношение количества алюминия в молях и количества оксианиона в молях в диапазоне от 0,6 до 8. В случае с оксианионом сульфатом, например, контроллер 106 может настроить систему 100 на основе текущей концентрации катиона металла и текущей концентрации оксианиона так, чтобы дозировать в очищаемый водный поток агент, содержащий катионы металлов и алюминиевый реагент в количествах, эффективных для обеспечения соотношения количества катиона металла в молях и количества оксианиона в молях в диапазоне от 2 до 3,4 и соотношение количества алюминия в молях и количества оксианиона в молях в диапазоне от 0,6 до 0,8. Следует отметить, что вышеупомянутые диапазоны дозировок являются просто примерами, и согласно настоящего описания, могут быть использованы другие диапазоны дозировок.
На ФИГ. 3 контроллер 106 может управлять добавлением осаждающего агента в очищаемый водный поток посредством управления первым и вторым насосами, 108А и 108В. В различных случаях, контроллер 106 запускает и/или останавливает насосы 108А и/или 108В или увеличивает и/или уменьшает производительность насосов 108А и/или 108В, чтобы регулировать концентрацию химических соединений, двигающихся по жидкостной трассе 110. Запуская насосы 108А и/или 108В или увеличивая производительность насосов 108А и/или 108В, можно увеличивать количество осаждающего агента, дозируемого соответствующим(и) насосом(ами) в жидкостную трассу 110. Останавливая насосы 108А и/или 108В или уменьшая производительность насосов 108А и/или 108В, можно уменьшать количество осаждающего агента, дозируемого соответствующим(и) насосом(ами) в жидкостную трассу 110. В других примерах контроллер 106 может быть связан с клапаном или другим механизмом управления потоком жидкости в дополнение к, или вместо насосов 108А и/или 108В для управления добавлением осаждающего агента из первого и второго резервуаров, 104А и 104В.
Первый и второй датчики, 102А и 102В, могут быть реализованы в системе 100 рядом различных способов. В примере, показанном на ФИГ. 3 первый и второй датчики, 102А и 102В, расположены в одну линию на жидкостной трассе 110 для определения концентрации жидкости, протекающей по жидкостной трассе. В других случаях, канал, трубка или другой водовод может связывать жидкостную трассу и первый и второй датчики, 102А и 102В. В этих случаях водовод может гидравлически соединять первый и второй датчики, 102А и 102В с жидкостной трассой 110. В то время как жидкость течет по жидкостной трассе 110, часть жидкости поступает в водовод и проходит к первому и второму датчикам, 102А и 102В для анализа. А в других случаях первый и второй датчики, 102А и 102В, могут быть реализованы как бесконтактные датчики, сигналы с которых поступают в контроллер 106 для управления системой 100.
Система 100 в примере на ФИГ. 3 также включает первый и второй резервуары, 104А и 104В, первый и второй насосы, 108А и 108В и жидкостную трассу 110. Первый и второй резервуары, 104А и 104В, могут представлять собой любой тип контейнера, который хранит химический агент для последующего использования, например, бак, емкость, бутыль или короб. Первый и второй резервуары, 104А и 104В, могут хранить жидкости и твердые вещества (в частности, порошок) и/или газ. Первый и второй насосы, 108А и 108В, могут представлять собой любой тип механизма, способный перекачивать жидкость из гидравлически подключенных резервуаров. Пример насосов может включать перистальтический насос или другой вид непрерывно работающего насоса, объемный насос или любой другой тип насоса, пригодный для конкретного применения. В случаях, когда первый и/или второй резервуары, 104А и 104В, хранят жидкость и/или газ, первый и/или второй насосы, 108А и 108В, могут быть заменены любым типом дозирующего устройства, выполнен с возможностьюного для доставки газообразного и/или жидкого химического агента в назначенное место расхода. Жидкостная трасса 110 в системе 100 может представлять собой любой тип гибких или жестких каналов, труб или водоводов.
Система 100, описанная применительно к ФИГ. 3, просто один из примеров системы и схемы расположения оборудования, которая может быть использована для реализации технологии применительно к ФИГ. 1 и 2. Следует отметить, что могут быть использованы другие системы и схемы расположения оборудования, и в этом отношении изобретение не имеет ограничений.
Следующие примеры могут открыть дополнительные детали в отношении систем очистки от оксианиона и используемых способов, применительно к настоящему изобретению.
ПРИМЕРЫ
2
Пример 1: Результирующий сульфат из алюминия + Ca(OH). Очистка предварительно обработанного негашеной известью дренажа кислых горных пород
Дренаж кислых горных пород с места разработки в Неваде, содержащий 8333 млн-1 сульфата, обрабатывался гидроксидом кальция (1,1 моля кальция/моль) и затравочными кристаллами порошкового гипса (15 г/л) в течение одного часа для образования раствора, содержащего 1200 млн-1 сульфата и 700 млн-1 кальция. В часть этой воды был добавлен сульфат натрия, чтобы поднять уровень сульфата до 1600 млн-1. Части этого раствора обрабатывались различными количествами 32% раствора алюмината натрия. К каждой части была добавлена 10% суспензия порошкового гидроксида кальция, чтобы поднять суммарное количество кальция до 1700 млн-1. После 30 минут смешанные составы были отфильтрованы, чтобы определить концентрацию сульфата.
Таблица 1 ниже и ФИГ. 4 показывают концентрацию сульфата в фильтрате, как функцию от концентрации алюминия. Данные показывают, что сульфат уменьшается с увеличением добавления алюминия (при фиксированной концентрации кальция) до переломной точки, в которой сульфат начинает увеличиваться с увеличением добавления алюминия. Для справки, экспериментальные данные сравниваются с эттрингит-стехиометрическим осаждением, при котором ожидается полное осаждение всего сульфата с увеличением добавляемого алюминия.
Пример 2: Динамика образования осадка в очищаемом дренаже кислых горных пород, предварительно обработанном негашеной известью
4
4
4
4
2-
2-
2-
2-
Четыре килограмма дренажа кислых горных пород с места разработки в Неваде, содержащего 8333 млн-1 сульфата, обрабатывали гидроксидом кальция (1,1 моля кальция/моль сульфата) и затравочными кристаллами порошкового гипса (15 г/л) в течение одного часа. Суспензия была отфильтрована для получения 3599,5 граммов раствора и 490 граммов мокрого гипса. Раствор содержал 1550 млн-1 сульфата и 741 млн-1 кальция. Четыре порции раствора были обработаны 32% раствором алюмината натрия и 10% суспензией гидроксида кальция. В тестовом растворе 1 дозировки алюмината натрия и гидроксида кальция выбирались для достижения в целевом осадке соотношения количества молей вещества 2 Al/6 Са/3 SO и 0 млн-1 растворенного сульфата в итоговом растворе. В тестовом растворе 2 дозировки алюмината натрия и гидроксида кальция выбирались для достижения в целевом осадке соотношения количества молей вещества 2 Al/6 Са/3 SO и 200 млн-1 растворенного сульфата в итоговом растворе. В тестовом растворе 3 дозировки алюмината натрия и гидроксида кальция выбирались для достижения в целевом осадке соотношения количества молей вещества 2 Al/6,6 Са/3 SO и 200 млн-1 растворенного сульфата в итоговом растворе. В тестовом растворе 4 дозировки алюмината натрия и гидроксида кальция выбирались для достижения в целевом осадке соотношения количества молей вещества 2 Al/7.2 Са/3 SO и 200 млн-1 растворенного сульфата в итоговом растворе.
После добавления раствора алюмината натрия, раствор перемешивался в течение 5 минут, и затем была добавлена суспензия гидроксида кальция. Затем, порции смеси извлекались через равные интервалы времени, фильтровались и анализировались, чтобы определить концентрацию растворенного сульфата. Результаты показаны на ФИГ. 5. Средний итоговый сульфат (среднее от сульфатов после 10 минут) показано в таблице 2 ниже. Как видно на фигуре, уровень итогового сульфата ниже после добавления кальция в количестве большем, чем при эттрингит-стехиометрии. Вопреки ожиданиям, стехиометрия, отличная от эттрингит-стехиометрии, оставила больше сульфата, чем эттрингит-стехиометрия (13% больше алюминия и 20% меньше кальция, чем тест при стехиометрии, отличной от эттрингит-стехиометрии)
2
Пример 3: Алюминий + Ca(OH). Очистка предварительно обработанного негашеной известью дренажа кислых горных пород
Четыре килограмма дренажа кислых горных пород с места разработки в Неваде, содержащего 8333 млн-1 сульфата, обрабатывали гидроксидом кальция (1,1 моля кальция/моль сульфата) и затравочными кристаллами порошкового гипса (15 г/л) в течение одного часа для образования раствора, содержащего 1550 млн-1 сульфата и 741 млн-1 кальция. Суспензия была отфильтрована для получения 3600 граммов раствора и 490 граммов мокрого гипса. Однокилограммовая порция раствора была обработана при помощи 2,4 грамм 32% раствора алюмината натрия и 7,13 грамм 10% суспензии гидроксида кальция, чтобы задать эттрингит-стехиометрию для осаждения 1350 млн-1 сульфата как эттрингита (200 млн-1 растворенного сульфата) без избытка алюминия или кальция. Вторая однокилограммовая порция предварительно обработанного негашеной известью раствора была обработана при помощи 2,4 грамм 32% раствора алюмината натрия и 10,21 грамм 10% суспензии гидроксида кальция, чтобы задать эттрингит-стехиометрию для осаждения 1350 млн-1 сульфата как эттрингита (200 млн-1 растворенного сульфата) с 20% избытком кальция. Третья однокилограммовая порция предварительно обработанного негашеной известью раствора была обработана при помощи 2,76 грамм 32% раствора алюмината натрия и 11,29 грамм 10% суспензии гидроксида кальция, чтобы задать эттрингит-стехиометрию для осаждения 1550 млн-1 сульфата как эттрингита (0 млн-1 растворенного сульфата) без избытка алюминия или кальция.
3 мл порции образцов каждой реакционной смеси были извлечены на 30-й, 60-й и 90-й минутах смешивания. Эти порции фильтровались с использованием 0,45 мкм фильтра и анализировались, чтобы установить концентрацию растворенного сульфата, оставшегося в растворе. Результаты показаны в таблице 1. После 90 минут перемешивания, каждый раствор фильтровался, чтобы получить фильтрат и количество твердого вещества. Полученная масса каждого материала приведена в таблице 3 ниже. Стехиометрия, отличная от эттрингит-стехиометрии, в тесте 3 почти такое же количество сульфата, как и эттрингит-стехиометрия (13% больше алюминия и 20% меньше кальция, чем тест при стехиометрии, отличной от эттрингит-стехиометрии)
2
Пример 4: Алюминий + Ca(OH) Обработка раствора молибдата
Чтобы продемонстрировать способность комбинации алюминия и гидроксида кальция или негашеной извести удалять молибден до необходимого уровня, была проведена серия экспериментов. Был приготовлен раствор 2200 млн-1 молибдена, затем, к порциям этого раствора был добавлен алюминат натрия с целью получения молярной концентрации алюминия от 0 до 0,019. После смешивания получившегося раствора в течение 5 минут, в раствор была добавлена 10% суспензия гидроксида кальция, и результирующая суспензия перемешивалась в течение 60 минут. Суспензия гидроксида кальция была добавлена в раствор, чтобы получить тестовый диапазон содержания кальция от 500 млн-1 до 4000 млн-1. В случае одного раствора кальция 2000 млн-1, в установленное время извлекались порции суспензии, фильтровались с использованием 0,45 мкм фильтра и анализировались. чтобы определить концентрацию сульфата. Результаты 60-минутного теста показаны на ФИГ. 6А.
Как показано на фигуре, удаление молибдена подвержено влиянию и концентрации алюминия, и концентрации кальция. Как видно на ФИГ. 6В, соотношение присутствующего алюминия и удаленного молибдата явилось функцией дозировки алюминия, в то время как концентрация молибдата достигла нуля, соотношение было примерно 3 моля алюминия к 2 молям молибдата. На нижних уровнях концентрации алюминия, соотношение алюминия и удаленного молибдата было ниже рекомендуемой переменной величины стехиометрии в осадке. Как показано на ФИГ. 6С, удаление молибдата, с использованием алюминия и гидроксида кальция было быстрым и завершилось в течение 15 минут.
2
Пример 5: Алюминий + Ca(OH) Обработка раствора хромата
Чтобы продемонстрировать способность комбинации алюминия и гидроксида кальция или негашеной извести удалять хром в форме хромата до необходимого уровня, была проведена серия экспериментов. При проведении экспериментов по удалению хрома, различные количества 32% раствора алюмината натрия добавлялись в порции 7 млн-1 раствора хромата. После смешивания в течение 5 минут, добавлялась 10% суспензия гидроксида кальция, чтобы получить содержание кальция 500 млн-1 в каждой порции. Диапазон молярной концентрации алюминия был от 0 до, приблизительно, 0,009. Результаты показаны на ФИГ. 7.
Как показано на фигуре, удаление хрома было подвержено влиянию концентрации алюминия. При достаточно высокой дозировке алюминия и кальция удаление хромата было полностью завершено. Как видно на фигуре, соотношение добавленного алюмината и удаленного хромата, являлось функцией дозировки алюминия, соотношение было примерно равно 3, в то время как концентрация хромата достигла нуля. На нижних уровнях концентрации алюминия, соотношение было ниже рекомендуемой переменной величины стехиометрии в осадке, содержащем хромат.
2
Пример 6: Алюминий + Ca(OH) Обработка раствора бората
Чтобы продемонстрировать способность комбинации алюминия и гидроксида кальция или негашеной извести удалять бор в форме бората до необходимого уровня, была проведена серия экспериментов. При проведении экспериментов по удалению бора, различные количества 32% раствора алюмината натрия добавлялись в порции приблизительно 1330 млн-1 раствора бората. После смешивания в течение 5 минут, была добавлена 10% суспензия гидроксида кальция, чтобы получить содержание кальция 2100 млн-1 в каждой порции. Были исследован диапазон молярной концентрации алюминия от 0 до примерно 0,02. Результаты показаны на ФИГ. 8.
Как показано на фигуре, удаление бора было подвержено влиянию концентрации алюминия. Также как видно на фигуре, соотношение добавленного алюминия и удаленного бората, являлось функцией дозировки алюминия, соотношение было примерно равно 2, в то время как концентрация бората достигла равновесия. На нижних уровнях концентрации алюминия, соотношение добавленного алюминия и удаленного бората было ниже рекомендуемой переменной величины стехиометрии в осадке, содержащем борат.
2
Пример 7: Алюминий + Ca(OH) Обработка раствора нитрата
Чтобы продемонстрировать способность комбинации алюминия и гидроксида кальция или негашеной извести удалять нитрат до необходимого уровня, была проведена серия экспериментов. При проведении экспериментов по удалению нитрата, различные количества 32% раствора алюмината натрия добавлялись в приблизительно 230 млн-1 раствор бората. После смешивания в течение 5 минут, была добавлена 10% суспензия гидроксида кальция, чтобы получить содержание кальция 863 млн-1 в каждой порции. Были исследован диапазон молярной концентрации алюминия от 0 до примерно 0,013. Результаты показаны на ФИГ. 9.
Как показано на фигуре, удаление нитрата было подвержено влиянию концентрации алюминия. Соотношение добавленного алюминия и удаленного нитрата, являлось функцией дозировки алюминия, соотношение было примерно равно 7, в то время как концентрация бората достигла равновесия. На нижних уровнях концентрации алюминия, соотношение добавленного алюминия и удаленного нитрата было ниже рекомендуемой переменной величины стехиометрии в осадке, содержащем нитрат.