СПОСОБ УМЯГЧЕНИЯ И ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЯ ВОДЫ
METHOD OF WATER SOFTENING AND DEIRONING

Изобретение относится к технологиям умягчения и обезжелезивания воды и может быть использовано для водоподготовки в системах водоснабжения различного назначения.
Известен способ реагентного умягчения воды путем обработки ее подщелаченным до pH 11,2-11,8 раствором тридеканата калия с образованием труднорастворимых тридеканатов кальция и магния (а.с. 998392, 23.02.83). Эти соединения выводят из воды флотацией с получением пены. Ее направляют на регенерацию тридеканата калия посредством обработки соляной кислотой при отношении 1:1 при нагревании до 50°C, последующего механического удаления всплывшей на поверхность жирной кислоты и обработки ее раствором едкого калия.
Основные недостатки способа - сложность процесса регенерации реагента, образование в этом процессе раствора хлоридов магния и кальция, подлежащего переработке или утилизации.
Известен также способ умягчения минерализованных вод (RU, 2345958, 10.02.2009). Он включает подщелачивание воды в первой емкости при парциальном давлении углекислого газа выше равновесного, кристаллизацию солей кальция и магния во второй емкости при сбросе давления в присутствии в воде капроновых волокон, выполняющих роль затравок при кристаллизации солей и фильтра при выведении из емкости жидкой фазы. Регенерацию фильтра осуществляют путем периодического встряхивания волокон и их промывки обратным потоком обработанной воды.
Продукты процесса - умягченная вода и твердый материал в виде осадка смеси частиц карбоната кальция и гидроксида магния.
Примеры осуществления способа авторы не приводят, а по описанию способа возможность его проведения в непрерывном режиме не представляется очевидной. Авторы не обсуждают также возможность утилизации осадка.
Этот способ можно считать ближайшим аналогом нашего предложения.
Недостатки способа - его сложность, обусловленная необходимостью использовать углекислый газ при повышенном парциальном давлении, необходимость регенерации фильтров. Не определена возможность утилизации осадка.
Новые технические результаты использования предлагаемого изобретения - упрощение процесса, обеспечение возможности обрабатывать воду, содержащую кроме солей жесткости гидроксид железа, а также эффективно утилизировать твердые продукты обработки.
Указанные результаты достигаются тем, что способ умягчения и обезжелезивания воды, содержащей бикарбонаты кальция и магния и гидроксид железа, включает добавление в нее сорбента в виде фибриллированных целлюлозных волокон, содержащих, в мас.%, не менее 90% волокон с длиной не более 0,47 мм и не менее 50% волокон с длиной не более 0,12 мм, и соляной кислоты в количестве, стехиометрически равном содержанию в воде бикарбонатов кальция и магния и гидроксида железа (III), с образованием дисперсии, содержащей в водной фазе фибриллированные целлюлозные волокна и хлориды кальция, магния и железа, обработку ее карбонатом натрия при его расходе, стехиометрически равном содержанию в дисперсии кальция, и гидроксидом натрия при его расходе в количестве, стехиометрически равном содержанию в дисперсии магния и железа, с образованием дисперсии продуктов обработки в виде композиционного материала, состоящего из фибриллированных целлюлозных волокон с сорбированными на них химически осажденными частицами карбоната кальция и гидроксидов магния и железа, выведение указанного материала из дисперсиии с получением умягченной очищенной воды, при этом фибриллированные целлюлозные волокна добавляют в воду в количестве 50-250 мг/л, а продукты обработки воды выводят из дисперсии методом напорной флотации.
Предлагаемым способом можно умягчать и очищать воду артезианскую, водопроводную, речную, накопленную в водохранилище и т.п. В подлежащей умягчению воде часто содержится, кроме солей жесткости, сопутствующая им примесь - гидроксид железа в виде мелкодисперсной взвеси.
В способе в качестве сорбента используют материал, способный сорбировать химически осаждаемые в присутствии этого материала частицы нерастворимых или трудно растворимых соединений. В качестве такого материала предпочтительно использовать короткие фибриллированные целлюлозные волокна (ФЦВ), например, с указанными выше характеристиками. Такие волокна обладают уникальным свойством сорбировать химически осаждаемые частицы в количестве 1000 и более мас.ч. в расчете на 100 мас.ч. ФЦВ.
Еще одно важное свойство ФЦВ - это их способность образовывать в водной среде с большой скоростью флокулы и хлопья, хорошо удерживающие пузырьки воздуха и поэтому легко флотируемые к поверхности воды. Этим свойством в полной мере обладают волокна с сорбированными ими частицами. Соответственно, для выведения продуктов обработки из воды предпочтительно использовать метод напорной флотации.
Из уровня техники известно, что композиционные материалы, по составу и физической форме аналогичные композиционным материалам, получаемым в предлагаемом способе, используют в качестве наполнителей в производстве бумаги и картона.
Способ осуществляют следующим образом. Для обработки воды используют установку, состоящую из связанных последовательно первого смесителя-реактора, второго смесителя-реактора, сатуратора, флотатора и центрифуги.
Готовят суспензию ФЦВ с указанными выше характеристиками и концентрацией по сухим веществам 3%, растворы соляной кислоты, например, 1М-ной концентрации, и гидроксида и карбоната натрия с концентрацией, например, 5%.
В первый смеситель-реактор при перемешивании подают воду, содержащую бикарбонаты кальция и магния и гидроксид железа (III), заданное количество ФЦВ из диапазона 50-250 мг/л, соляную кислоту в количестве, стехиометрически равном содержанию в воде соединений кальция, магния и железа. В результате реакций образуется дисперсия, содержащая ФЦВ и хлориды кальция, магния и железа. Ее направляют во второй смеситель-реактор, в который подают также растворы гидроксида и карбоната натрия. Количество гидроксида натрия стехиометрически равно содержанию в дисперсии магния и железа, а количество карбоната натрия - содержанию в дисперсии кальция.
В результате реакций в дисперсии во втором смесителе-реакторе образуются и сорбируются на ФЦВ частицы гидроксидов магния и железа и карбоната кальция. В дисперсии образуется также хлорид натрия в количестве, стехиометрически равном содержанию в дисперсии кальция, магния и железа. В итоге дисперсия во втором смесителе-реакторе содержит продукт обработки воды в виде композиционного материала, состоящего из ФЦВ с сорбированными ими частицами гидроксидов магния и железа и карбоната кальция. Жидкая среда - это умягченная и очищенная вода, содержащая некоторое количество NaCl.
Далее дисперсию подают в сатуратор, насыщают ее воздухом при его избыточном давлении и затем подают во флотатор. В камере флотатора композиционный материал флотируется к поверхности воды и образует флотошлам. Его отбирают из камеры и направляют в центрифугу на обезвоживание.
Композиционный материал можно использовать в качестве наполнителя в производстве бумаги или картона. Его можно также высушить, измельчить и использовать в качестве наполнителя в пластмассу, резину, ламинаты и т.п.
Умягченную осветленную во флотаторе воду используют по назначению. Содержание в ней магния, кальция и железа не превышает предела растворимости указанных выше соединений этих элементов.
Следующие примеры иллюстрируют возможности предлагаемого способа.
2
3
2
2
2
2
3
3
3
2
3
Пример 1. Готовят 3%-ную суспензию ФЦВ, содержащих, в мас.%, не менее 90% волокон с длиной не более 0,47 мм и не менее 50% волокон с длиной не более 0,12 мм, 1М-ный раствор HCl, 5%-ные растворы NaOH и NaCO. Умягчают воду, содержащую в виде бикарбонатов 92 мг/л Ca и 31 мг/л Mg, а также 9 мг/л Fe (III) в виде его гидроксида. В первый смеситель-реактор при перемешивании подают воду, 50 мг/л ФЦВ и 276,167 мг/л HCl и получают дисперсию, содержащую 50 мг/л ФЦВ, 251,997 мг/л CaCl, 121,424 мг/л MgCl и 26,139 мг/л FeCl. Ее направляют во второй смеситель-реактор, в который подают также в виде растворов 121,524 мг/л NaOH и 218,800 мг/л NaCO. В результате реакций в каждом литре дисперсии образуются и сорбируются на ФЦВ 206,625 мг CaCO, 74,37 мг Mg(OH)2 и 17,222 мг Fe(OH) с образованием 348,165 мг композиционного материала, состоящего из 50 мг ФЦВ с сорбированными ими 206,625 CaCO, 74,370 мг Mg(OH)2 и 17,222 мг Fe(OH). В водной среде образуются также 418,581 мг NaCl. В расчетах растворимость соединений Са, Mg и Fe не учитывается.
Далее дисперсию подают в сатуратор и затем во флотатор. Образующийся флотошлам из камеры флотации направляют в центрифугу и сгущают. Сгущенный шлам промывают и направляют в производство бумаги или же вновь сгущают, высушивают, измельчают и получают пигмент в количестве 348,165 мг в расчете на 1 л обработанной воды. Умягченную воду, содержащую 418,581 мг/л NaCl, направляют по назначению.
2
2
3
2
3
3
2
3
Пример 2. В отличие от примера 1 умягчают и очищают воду, содержащую 140 мг/л Ca, 62 мг/л Mg и 28 мг/л Fe. В воду подают 150 мг/л ФЦВ и 495,504 мг/л HCl. Полученная дисперсия содержит 100 мг/л ФЦВ, 387,688 мг/л CaCl, 242,848 мг/л MgCl и 81,320 мг/л FeCl. Во второй смеситель-реактор в дисперсию подают 264,191 мг/л NaOH и 286,160 мг/л NaCO. В результате получают 668,200 мг/л композиционного материала, состоящего из 150 мг ФЦВ, 315,864 мг СаСО, 148,738 мг Mg(OH) и 53,578 мг Fe(OH). В умягченной и очищенной воде содержатся 757,188 мг/л NaCl.
2
2
3
2
3
3
2
3
Пример 3. В отличие от примера 1 умягчают и очищают воду, содержащую 210 мг/л Ca, 46 мг/л Mg и 33 мг/л Fe. В воду подают 250 мг/л ФЦВ и 615,822 мг/л HCl. Полученная дисперсия содержит 250 мг/л ФЦВ, 581,532 мг/л CaCl, 180,177 мг/л MgCl и 85,842 мг/л FeCl. Во второй смеситель-реактор подают 222,280 мг/л NaOH и 504,924 мг/л NaCO. В результате получают 650,325 мг/л композиционного материала, состоящего из 250 мг ФЦВ, 476,826 мг COCa, 110,354 мг Mg(OH) и 63,145 мг Fe(OH). В умягченной и очищенной воде содержатся 881,564 мг/л NaCl.
Предлагаемым способом можно умягчать воду, содержащую лишь соли жесткости, а также воду, содержащую лишь мелкодисперсные частицы гидроксида железа, например, воду в системах отопления.