СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ И АКТИВАЦИИ ГРАНУЛ СОРБЕНТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PREPARATION AND ACTIVATION OF SORBENT GRANULES AND DEVICE TO THIS END

Группа изобретений относится к способам приготовления и активации гранул сорбента и устройствам для их осуществления в коммунальном, сельском хозяйстве, животноводстве, промышленности.
Известны способы приготовления и активации гранул сорбента, заключающиеся в том, исходный минерал - природный цеолит, шунгит, доломит и др., дробят мельницей на гранулы до максимальных размеров 0,005 м, на грохоте отбирают из помолотого минерала фракцию гранул сорбента для очистки воды с наименьшими для данного типа фильтра-сорбента размерами [см. Абрамов Н.Н. Водоснабжение. М.: Стройиздат, 1982, стр.248-283].
Уменьшение размеров гранул приводит к увеличению размера суммарной площади свободной поверхности гранул в их удельном объеме, поэтому интенсивность взаимодействия растворенных в воде примесей с отрицательными не скомпенсированными электрическими зарядами на поверхности сорбента возрастает, что выражается увеличением динамической обменной емкости и, соответственно, сорбционной активности гранул сорбента пропорционально увеличению свободной суммарной поверхности гранул.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известных способов, относятся слабая активация, недостаточное увеличение сорбционной способности и динамической обменной емкости гранул сорбента.
Известны устройства для приготовления и активации гранул сорбента, состоящие из шаровых, валковых и другого типа мельниц, грохотов для сепарирования гранул по фракциям [см. Абрамов Н.Н. Водоснабжение. М.: Стройиздат, 1982, стр.248-283].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании устройств, относятся слабая активация, недостаточное увеличение сорбционной способности и динамической обменной емкости гранул сорбента, приготовленных на известных устройствах: обменная емкость их не превышает 1,5-2,0 мг/экв.-г.
Существенно улучшить способ получения и активации гранул сорбента удалось с помощью способа, описанного в изобретении «Устройство для очистки, модификации и регенерации сорбентов» [см. Патент на изобретение RU 2329865 С1], являющегося наиболее близким техническим решением того же назначения к заявляемому техническому решению и потому выбранным в качестве прототипа.
-4
-3
Способ-прототип заключается в том, что исходный минерал сорбента дробят на гранулы; отсеивают гранулы сорбента размерами 5·(10-10) м; гранулы сорбента помещают в цилиндрическую колонку, заливают воду в емкость цилиндрической колонки, заливают воду в регенерационную емкость; вводят в регенерационную емкость поваренную соль, включают на электроды, граничащие с гранулами сорбента, напряжение постоянного тока, создающее напряженность электрического поля величиной 100-10000 В/м; подают раствор поваренной соли по замкнутому контуру, включающему соединительные трубопроводы, водяной насос, нижний выходной патрубок колонки, саму колонку, входной патрубок колонки, регенерационную емкость; после окончания активации гранул сорбента освобождают колонку от жидкости, сбрасывая ее в канализацию через сточный трубопровод.
Наложение постоянного электрического поля на гранулы сорбента приводит к существенному повышению его активности и динамической обменной емкости вплоть до их рекордных значений, даже выше таковых для дорогих и дефицитных ионообменных смол. Например, и без того дешевый природный цеолит (на порядок дешевле активированного угля и на три порядка ниже стоимости ионообменных смол) можно еще многократно удешевить для использования в Европейской части РФ, открыв разработки местных цеолитов. После отключения электрического поля сорбционная активность гранул сорбента остается повышенной, их можно использовать в различного рода фильтрах-сорбентах.
Природные цеолиты разделяются на два типа. Для водоподготовки применяют гранулы цеолита вулканогенного типа, имеющие твердость 5-7 по шкале Мооса, в которых содержание собственно цеолита, обычно клиноптиллолита, достигает 60-70%. Гранулы получают описанными способами-аналогами. Имеются также цеолитсодержащие породы, доля клиноптиллолита в которых не превышает 25% и потому не применимых для водоподготовки. Это минералы осадочного типа, породы мягкие, состоящие, как и природные глины, тальк, из микрочастиц, из которых при небольших механических усилиях можно получать водную дисперсионную смесь (ДС), поэтому в необработанном виде в водоподготовке их нельзя применять из-за их вымывания с водой из колонок. В РФ для водоподготовки обычно используют забайкальский цеолит вулканогенного типа Холинского месторождения. В Европейской части имеются месторождения цеолитсодержащих пород осадочного типа (Юшанское в Ульяновской области, Татарско-Шатрашанское в Татарстане и др.), добыча которых в отличие от цеолита вулканогенного типа не связана с необходимостью применения взрывов, помола на промышленных дробилках, отсеивания фракций на грохотах, переброски за тысячи км. Если бы удалось использовать цеолитсодержащие породы для водоподготовки, то их применение в Европе будет не менее чем на порядок дешевле, чем использование Холинского, привозного из Республики Бурятия. Из природных глин путем формования сырых шарообразных заготовок и обжига их до температур выше 1000°С приготавливают керамзит, который используют в качестве сорбента для очистки воды. Керамзит имеет слабую сорбционную способность и динамическую обменную емкость - не выше 0,5 мг/экв.-г.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании способа-прототипа, относится невозможность получения с его помощью гранул сорбента, материалом которого является порошкообразные минералы (глины, цеолитсодержащие породы, тальк и др.), недостаточно высокая степень активации сорбционных свойств гранул сорбента.
Существует устройство для осуществления способа приготовления и активации гранул сорбента, по совокупности существенных признаков и максимально достижимому положительному эффекту являющееся наиболее близким техническим решением того же назначения к заявляемой техническому решению и потому выбранное в качестве прототипа [см. «Устройство для очистки, модификации и регенерации сорбентов», патент на изобретение RU 2329865 С1],
Устройство-прототип включает мельницу для помола минерала сорбента на гранулы; цилиндрическую колонку с подводящим и отводящим трубопроводом, имеющую входной и выходной патрубки для обмывания в ней гранул сорбента водными раствором соли; регенерационную емкость; электроды, граничащие с гранулами сорбента; приспособление для промывки гранул сорбента - замкнутый контур, включающий соединительные трубопроводы, водяной насос, выходной патрубок в цилиндрическую колонку, саму цилиндрическую колонку, входной патрубок в цилиндрической колонке, регенерационную емкость; промывочный трубопровод на входе снизу в цилиндрическую колонку.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании устройства-прототипа относятся невозможность получения с его помощью гранул сорбента, материалом которого является порошкообразные минералы (глины, цеолитсодержащие породы, тальк и др.), недостаточно высокая степень активации сорбционных свойств гранул сорбента.
Единый технический результат группы изобретений - получение с его помощью гранул сорбента, материалом которого является порошкообразные минералы (глины, цеолитсодержащие породы, тальк и др.), повышение степени активации сорбционных свойств гранул сорбента.
-4
-3
Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-способу достигается тем, что в емкости-смесителе приготавливают водную дисперсионную смесь (ДС) порошка сорбента; отстаивают ДС; осадок просушивают, прокаливают до температуры 300°С; дробят на гранулы, отсеивают гранулы сорбента размерами 5·(10-10) м; гранулы сорбента помещают в цилиндрическую колонку, первую ее емкость; заливают воду в цилиндрическую колонку через подводящий трубопровод, через входной патрубок во вторую цилиндрическую водопроницаемую емкость, не заполненную гранулами сорбента, находящуюся в первой емкости, отделенную от гранул сорбента цилиндрической водопроницаемой токопроводящей заземленной диафрагмой, далее через трубопровод, соединяющий нижнюю часть второй цилиндрической емкости с верхней частью первой цилиндрической емкости, далее - вниз по гранулам сорбента, через выходной патрубок на выход из нижней части первой цилиндрической емкости; на электроды, отделенные друг от друга, имеющие вид многоярусной конструкции, каждый ярус которой состоит из первых электродов-катодов в первой цилиндрической емкости, ограничивающих с внутренней стороны корпуса первой цилиндрической емкости гранулы сорбента, и из вторых электродов-анодов, расположенных во второй цилиндрической емкости по ее оси симметрии; подают напряжение постоянного тока, создающее напряженность электрического поля величиной 100-10000 В/м; напряжение подают через переключатель напряжений на электроды, через гермоввод; перекрывают подводящий и отводящий трубопроводы; заливают воду в регенерационную емкость; вводят в нее поваренную соль; подают раствор поваренной соли по замкнутому контуру, включающему водяной насос, нижний выходной патрубок, цилиндрическую колонку, входной патрубок, регенерационную емкость; после окончания активации освобождают колонку от жидкости; промывают колонку водой через промывочный трубопровод; сбрасывают жидкость в канализацию через сточный трубопровод.
Если не выгружать гранулы сорбента из колонки, то описанное устройство используют в качестве фильтра-сорбента. При необходимости использовать активированные гранулы сорбента в другого типа фильтрах-сорбентах гранулы перегружают в данные фильтры-сорбенты.
-4
-3
Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-устройству достигается тем, что включает емкость-смеситель порошка сорбента с водой; емкость-отстойник для получения осадка дисперсионной смеси (ДС); печь для просушки и прокалки до 300°С осадка ДС; мельницу для дробления прокаленного осадка в гранулы; грохот для отсеивания гранул сорбента размерами 5·(10-10) м; цилиндрическую колонку с подводящим и отводящим трубопроводом, имеющую входной и выходной патрубки; первую цилиндрическую емкость в цилиндрической колонке, заполненную гранулами сорбента; вторую цилиндрическую водопроницаемую емкость внутри первой цилиндрической емкости, не заполненную гранулами сорбента, отделенную от гранул сорбента цилиндрической водопроницаемой токопроводящей заземленной диафрагмой; трубопровод, соединяющий нижнюю часть второй цилиндрической емкости с верхней частью первой цилиндрической емкости; электроды, отделенные друг от друга, имеющие вид многоярусной конструкции, каждый ярус которой состоит из первых электродов-катодов в первой цилиндрической емкости, ограничивающих с внутренней стороны корпуса первой цилиндрической емкости гранулы цеолита, и из вторых электродов-анодов, расположенных во второй цилиндрической емкости по ее оси симметрии; гермоввод для электрических выводов из корпуса цилиндрической колонки; переключатель напряжений на отдельных электродах; регенерационную емкость; водяной насос; соединительные трубопроводы; замкнутый контур, включающий соединительные трубопроводы, водяной насос, выходной патрубок, цилиндрическую колонку, входной патрубок, регенерационную емкость; промывочный трубопровод на входе снизу в цилиндрическую колонку; дополнительный трубопровод на выходе сверху из цилиндрической колонки; сточный трубопровод на выходе снизу из цилиндрической колонки.
Сущность изобретения поясняется схемой.
-4
-3
Устройство включает емкость-смеситель 1 порошка сорбента с водой для получения дисперсионной смеси (ДС); емкость-отстойник 2 для получения осадка ДС; печь 3 для просушки и прокалки до 300°С осадка ДС; мельницу 4 для дробления прокаленного осадка в гранулы сорбента, грохот 5 для отсеивания гранул размерами 5·(10-10) м; цилиндрическую колонку 6 с подводящим трубопроводом 7 и отводящим трубопроводом 8, имеющую входной патрубок 9 и выходной патрубок 10; первую цилиндрическую емкость 11, заполненную гранулами сорбента 12; вторую цилиндрическую водопроницаемую емкость 13, не заполненную гранулами сорбента, отделенную от гранул сорбента водопроницаемой токопроводящей заземленной диафрагмой 14; трубопровод 15, соединяющий нижнюю часть второй емкости 13 с верхней частью колонки 6; электроды, отделенные друг от друга, имеющие вид многоярусной конструкции, каждый ярус которой состоит из первых электродов-катодов 16 в первой цилиндрической емкости 11, ограничивающих изнутри с внешней стороны корпуса первой цилиндрической емкости 11 слои гранул сорбента 12, и из вторых электродов-анодов 17, расположенных во второй емкости 13 по ее оси симметрии; гермоввод 18 для электрических выводов из корпуса колонки 6; переключатель напряжений на отдельных электродах 19; регенерационную емкость 20; водяной насос 21; замкнутый контур, включающий водяной насос 21, соединительные трубопроводы 22, выходной патрубок 10, колонку 6, входной патрубок 9, регенерационную емкость 20; промывочный трубопровод 23 на входе снизу в колонку 6; дополнительный трубопровод 24 на выходе сверху из колонки 6; сточный трубопровод 25.
Описанная конструкция внутри корпуса колонки представляет собой диафрагменный электролизер, состоящий из катодной зоны - объема первой емкости колонки, занимаемого гранулами сорбента, первыми электродами, на которые подают отрицательный потенциал, анодной зоны - внутреннего объема второй емкости, не заполненного гранулами сорбента, с анодами, на которые подают положительный потенциал, водопроницаемой токопроводящей заземленной диафрагмы, разделяющей катодную и анодную зоны электролизера. В катионной зоне электрическое поле приводит к диссоциации в воде молекул поваренной соли, образованию раствора щелочи - едкого натра. Под действием электрического поля в гранулах цеолита увеличивается плотность отрицательных не скомпенсированных электрических зарядов, что приводит в увеличению сорбционной активности и динамической обменной емкости гранул сорбента. Таким образом реализуется положительный результат предлагаемого технического решения, в частности, становится возможным получение прочных гранул сорбента, материалом которого являются порошкообразные минералы (глины, цеолитсодержащие породы, тальк и др.), повышение степени активации сорбционных свойств гранул сорбента.
В способе-прототипе часть сорбента находится в анионной, часть в катионной зоне электролизера, в настоящем же техническом решении весь сорбент находится в катионной зоне, так как диафрагма, ограничивающая слои цеолита от анодной зоны, заземлена. А так как в качестве сорбента применяют чаще всего катионит, в данном случае - природный катионит, то последний более эффективно сорбирует из воды примеси в катионной зоне электролизера. Таким образом, предлагаемое устройство более эффективно увеличивает сорбционную активность сорбента, чем способ и устройство прототипы.
Пример 1.
3
3
-4
-3
Способ приготовления и активации гранул сорбента заключается в том, что в емкости-смесителе 1, представляющей стиральную машинку «Вятка» емкостью 0,100 м, приготавливают водную дисперсионную смесь (ДС) цеолитсодержащей породы Ишимского месторождения (Майнский район Ульяновской области) концентрацией 30 об.%; отстаивают ДС в осадок в емкости-отстойнике 2 - полиэтиленовой цилиндрической бочке объемом 0,150 м; в шахтной печи 3 мощностью 10 кВт, объемом 0,250 м осадок просушивают, прокаливают до температуры 300°С; в валковой мельнице 4 мощностью 5 кВт дробят на гранулы; в грохоте 5 лабораторного типа мощностью 1,5 кВт отсеивают гранулы размерами 5·(10-10) м; загружают гранулы 12 в цилиндрическую колонку 6, представляющую собой цилиндрический корпус ⌀ 0,3 м, высотой 1,240 м, толщиной стенок 0,005 м с нижним дном и верхним съемным фланцем, входным в съемный фланец патрубком 9 ⌀ 0,06 м, длиной 0,15 м, толщиной стенки 0,003 м, выходным из съемного фланца патрубком 10 ⌀ 0,06 м, длиной 0,15 м, толщиной стенки 0,003 м; вводят воду подводящим трубопроводом 7 диаметром 0,06 м в цилиндрическую колонку 6 через входной патрубок 9 через вторую цилиндрическую емкость 13, водопроницаемую, не заполненную гранулами, полиэтиленовую трубу диаметром 0,05 м, высотой 1,100 м, перфорированную отверстиями ⌀ 0,0015 м с шагом 0,005 м, отделенную от гранул 12 водопроницаемой диафрагмой 14 - брезентовой тканью и заземленной токопроводящей сеткой из стали 1ХН9Т толщиной проволоки 0,001 м, ячейками со стороной 0,005 м, через полиэтиленовый трубопровод 15 ⌀ 0,03 м высотой 1,050 м, соединяющий нижнюю часть второй емкости 13 с верхней частью колонки 6, далее - вниз по гранулам 12, через выходной патрубок 10 на выход из колонки 6 из нижней части через отводящий трубопровод 8; на электроды высотой 0,05 м, состоящие из графитовой ткани, армированной сеткой из стали 1ХН9Т, отделенные друг от друга, имеющие вид многоярусной конструкции, каждый ярус которой состоит из электродов-анодов 17 во второй цилиндрической емкости 13 и электродов-катодов 16 в слоях гранул 12, подают напряжение постоянного тока, создающее напряженность электрического поля величиной 5000 В/м, через переключатель напряжений 19 на электроды; напряжение подают через гермоввод 18 - ввинчивающуюся во фланец уплотненную на резиновых прокладках втулку, через которую проведены провода, внутренняя часть которой залита и герметизирована эпоксидной смолой; перекрывают подводящий 7 и отводящий 8 трубопроводы; заливают воду в регенерационную емкость 20, представляющую собой цилиндрическую бочку ⌀ 0,3 м, высотой 1,240 м, толщиной стенки 0,005 м с нижним дном и верхней съемной крышкой, с двумя отверстиями ⌀ 0,07 и ⌀ 0,03 м, нижним патрубком ⌀ 0,06 м, длиной 0,15 м, толщиной стенки 0,003 м; вводят в нее поваренную соль концентрацией 7%, включают на электроды напряжение постоянного тока, создающее напряженность электрического поля величиной 500 В/м; подают раствор поваренной соли по замкнутому контуру, включающему соединительные трубопроводы 22, из них ведущий от насоса 10 трубопровод 22 является гибким резиновым шлангом ⌀ 0,02 м, все другие трубопроводы 22 - из водопроводной стали ⌀ 0,06 м, водяной насос 21 погружного типа «Малышок», выходной патрубок 10, колонку 6, входной патрубок 9, регенерационную емкость 20; после окончания активации освобождают колонку 6 от жидкости, промывают водой через промывочный трубопровод 23 и дополнительный трубопровод 24, сбрасывают жидкость в канализацию через сточный трубопровод 25; при этом корпус и фланец колонки 6 с патрубками, трубопроводы выполнены из стали-20, вторая емкость 13 в колонке 6, регенерационная емкость 19 выполнены из стали 1ХН9Т.
Использование группы изобретений по приведенному примеру позволяет получать прочные гранулы из цеолитсодержащей породы с величиной динамической обменной емкости до рекордных значений - до 35 мг/экв.-г; исходная величина динамической обменной емкости порошка цеолитсодержащей породы составляет 0,6 мг/экв.-г. Исходный порошок цеолитсодержащей породы нельзя использовать в скорых фильтрах-сорбентах. Он применим только в фильтрах осадочного типа: в емкость с порошком цеолитсодержащей породы заливают очищаемую воду, взбалтывают ее и только после выпадения осадка сливают очищенную воду на потребление. Применяя для водоочистки гранулы, полученные способом в примере 1, можно очищать воду до уровня примесей, допустимых в питьевой воде в количестве, в 60 раз большей, чем с помощью исходного порошка цеолитсодержащей породы, и за время на три порядка меньшее.
Пример 2. Данный пример полностью повторяет текст примера 1, заменяя фразу «приготавливают водную дисперсионную смесь (ДС) цеолитсодержащей породы Ишимского месторождения (Майнский район Ульяновской области) концентрацией 30 об.%» фразой «приготавливают водную дисперсионную смесь (ДС) глины типа монтмориллонита концентрацией 35 об.%»; заменяя вторую фразу «использование группы изобретений по приведенному примеру позволяет получать прочные гранулы из цеолитсодержащей породы с величиной динамической обменной емкости до рекордных значений - до 35 мг/экв.-г; исходная величина динамической обменной емкости порошка цеолитсодержащей породы составляет 0,6 мг/экв.-г» фразой ««использование группы изобретений по приведенному примеру позволяет получать прочные гранулы из глины типа монтмориллонита с величиной динамической обменной емкости до значения 25 мг/экв.-г; исходная величина динамической обменной емкости порошка монтмориллонита составляет 0,4 мг/экв.-г». Исходный порошок цеолитсодержащей породы нельзя использовать в скорых фильтрах-сорбентах. Он применим только в фильтрах осадочного типа: в емкость с порошком глины монтмориллонита заливают очищаемую воду, взбалтывают ее и только после выпадения осадка сливают очищенную воду на потребление. Применяя для водоочистки гранулы, полученные способом в примере 2, можно очищать воду до уровня примесей, допустимых в питьевой воде в количестве, в 50 раз большем, чем с помощью исходного порошка цеолитсодержащей породы, и за время на три порядка меньшее.
Пример 3. Данный пример полностью повторяет текст примера 1, заменяя фразу «приготавливают водную дисперсионную смесь (ДС) цеолитсодержащей породы Ишимского месторождения (Майнский район Ульяновской области) концентрацией 30 об.%» фразой «приготавливают водную дисперсионную смесь (ДС) порошка талька концентрацией 35 об.%»; заменяя вторую фразу «использование группы изобретений по приведенному примеру позволяет получать прочные гранулы из цеолитсодержащей породы с величиной динамической обменной емкости до рекордных значений - до 35 мг/экв.-г; исходная величина динамической обменной емкости цеолитсодержащей породы составляет 0,6 мг/экв.-г» фразой ««использование группы изобретений по приведенному примеру позволяет получать прочные гранулы из порошка талька с величиной динамической обменной емкости до значения 23 мг/экв.-г; исходная величина динамической обменной емкости порошка талька составляет 0,3 мг/экв.-г». Исходный порошок талька нельзя использовать в скорых фильтрах-сорбентах. Он применим только в фильтрах осадочного типа: в емкость с порошком талька заливают очищаемую воду, взбалтывают ее и только после выпадения осадка сливают очищенную воду на потребление. Применяя для водоочистки гранулы, полученные способом в примере 3, можно очищать воду до уровня примесей, допустимых в питьевой воде в количестве, в 45 раз большем, чем с помощью исходного порошка цеолитсодержащей породы, и за время на три порядка меньшее.