WATER PURIFICATION FROM BARIUM AND HARDNESS SALTS

Cover Page

Abstract


The methodology of improvement of drink water quality is developed: hardness salts and barium elimination. Diff erent ways of water purifi cation as electrochemical fi ltration, pulp fi ltration with reactants in one step, pulp fi ltration with reactants in two steps are shown. In the article it is proved that water under study could be raised to sanitary norms 2.1.4.1074-01 only with specifi c purifi cation technology developed for water supply source.

Full Text

В практике водоочистки широко известны методы, основанные на применении озона, ультрафиолета, активированных углей, обработке воды биологическими методами. Широкое распространение получил метод реагентного фильтрования с применением коагулянтов [1, 2]. Коагуляция используется для удаления взвешенных и органических веществ, тяжелых металлов, нефтепродуктов, синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ), снижения цветности. Степень удаления загрязнений при коагуляции зависит от качества применяемых реагентов, конструкции сооружений. Важными факторами развития технологии коагуляции являются дальнейшее совершенствование теории процесса, создание новых коагулянтов и фильтрующих материалов, оптимизация конструкций сооружений, использование коагуляции с применением силовых полей [3-13]. При проведении процесса коагуляции в каждом конкретном случае должны создаваться оптимальные условия для используемого реагента и обрабатываемой воды. Только тогда достигается заданная скорость химической реакции, образование хлопьев с оптимальными параметрами, сокращение времени уменьшения устойчивости дисперсной системы. В исследуемой природной воде п. Жуково Уфимского района Республики Башкортостан содержание солей жёсткости превышает допустимое значение до 2,5 раза, солей бария - до 5 раз. При длительном употреблении воды, содержащей барий, возможно повышение у человека кровяного давления. Даже разовое употребление воды, содержание бария в которой значительно превосходит максимально допустимые значения, может привести к мышечной слабости и болям в брюшной области. Гидроксид бария оказывает негативное влияние на воздушно-дыхательные пути, прижигающее действие на роговицу глаз и кожу. Хлорид бария увеличивает проницаемость сосудов, что может привести к кровоизлиянию и отекам, вызвать анемию, лимфоцитоз, лейкопению. DOI: 10.17673/Vestnik.2017.02.6 33 Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 2 В.Д. Назаров, М.В. Назаров, А.А. Осипова, К.В. Димов, М.А. Дрёмина Норматив по барию, рекомендованный Всемирной организацией здравоохранения, составляет 0,7 мг/л. Российскими санитарными нормами установлено еще более жесткое предельно допустимое значение по барию в питьевой воде - 0,1 мг/л. Жесткая вода неприятна на вкус, в ней излишне много кальция. Высокая жесткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус и оказывая отрицательное действие на органы пищеварения. Постоянное употребление внутрь воды с повышенной жесткостью приводит к снижению моторики желудка, к накоплению солей в организме и, в конечном итоге, к заболеванию суставов и образованию камней в почках и желчных путях. По нормам СанПиН 2.1.4.1074-01 жесткость питьевой воды должна быть не выше 7 мг-экв/л. В работе были использованы следующие методы очистки воды: • реагентное фильтрование [1,2]; • инновационный метод электрохимического фильтрования [2-13]. Реагентное фильтрование. Вода фильтруется в зернистом направлении сверху вниз. За счёт эффекта кристаллизации происходит осаждение нерастворимых солей жесткости на поверхности зерен загрузки. В качестве реагентов был использован оксихлорид алюминия, сульфат натрия. В качестве подщелачивающего реагента - гидроксид натрия. Инновационный метод электрохимического фильтрования. В фильтре расположены два электрода параллельно друг другу. Один из них изготовлен из алюминия, другой - из меди. Электроды создают электрохимический источник тока. Существует два механизма действия электрохимического фильтра: 1. Растворение электроотрицательного электродного материала, которым является алюминий. Вследствие этого образуется гидроксид алюминия, который является коагулянтом. Установлено, что электроды растворяются по закону Фарадея. 2. Поляризация зёрен фильтрующей загрузкой. В электрическом поле зерна поляризуются и образуются положительные и отрицательные связанные заряды на каждом зерне. Все диспергированные частицы, обладающие своим зарядом, идут к противоположному заряду. Закрепление извлекаемых частиц происходит под действием электростатического поля. Фильтрующие зернистые материалы применяются в любых системах водоснабжения и водоотведения для получения воды заданного качества. Фильтрующие материалы подразделяются на активные, инертные и инертно-активные. Степень активности определяется по наличию сорбционных, ионообменных и каталитических свойств, позволяющих извлекать из очищаемой воды нефтепродукты, органические вещества, тяжелые металлы, токсичные минеральные вещества. Ведётся интенсивное внедрение активных фильтрующих материалов, прежде всего для очистки от железа, марганца и сероводорода, которые чаще всего присутствуют в источниках водоснабжения, промстоках и ливневых водах. Все известные активные фильтрующие материалы делятся на две группы: • материалы с объемными каталитическими свойствами, не требующие регенерации окислителями для восстановления каталитических свойств. К первым относятся: МЖФ (Россия), Birm USA), Catalox (USA) и силицированный кальцит (Россия); • материалы с поверхностной активностью, требующие регенерации для восстановления каталитической активности: Цеокс, Ферокс, МТМ. В результате исследований, проведенных авторами, доказано, что лучшими каталитическими свойствами обладает силицированный кальцит, который был использован в дальнейших опытах. В исходную воду в качестве подщелачивающего реагента был добавлен NaOH в концентрации 100 мг/л. В результате повышен водородный показатель с 7,8 до 8,4. В качестве коагулянта был добавлен Al2(OH)3Cl3 в концентрации 100 мг/л. Затем произведено барботирование пузырьками воздуха в течение 20 мин и фильтрование подготовленной воды со скоростью 4-8 м/ч (табл. 1). Для улучшения показателей качества воды был применен метод электрохимического фильтрования. Наиболее эффективные электроположительные электроды были выполнены из коксопековой композиции. Электрод электрохимического фильтра (рис. 1), включающий в себя углеродосодержащие блоки с образованием в них электроконтактов, согласно полезной модели выполнен в форме диска 1, внутри которого расположены от центра по радиусу электроконтакты из медной проволоки с угловым расстоянием от 5 до 90 град., причем периферийные точки радиальных электроконтактов соединены круглым электроконтактом из медной проволоки, имеющим внешний токопровод, а пространство между радиальными электроконтактами содержит сквозные отверстия для прохождения воды, при этом электрод изготовлен из анодной массы, состоящей из нефтяного пека и нефтяного кокса. Электрод может быть выполнен из углеродосодержащего материала в форме плоского правильного восьмиугольника, образованного пластинами 2, вершины восьмиугольника соединены с центром электрода такими же пластинами 3, причем внутри пластин расположены электроконтакты из медной проволоки, один из которых соединен с внешним токоподводом 4, при этом электрод изготовлен из анодной массы, состоящей из нефтяного Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 2 34 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ Таблица 1 Эффект очистки природной воды от солей жёсткости и бария фильтрованием № п/п Определяемые показатели Ед. измерения Результаты испытаний Величина допустимого уровня Нормативные документы на методы исследований Результаты испытаний до фильтрования 1 Жесткость общая мг-экв/ дм3 16,0±2,400 7 ГОСТ 31954-2012 2 Барий (Ba2+) мг/л 0,525±0,105 0,1 ГОСТ 31870-2012 Результаты испытаний со скоростью 4 м/ч 1 Жесткость общая мг-экв/ дм3 8,4±1,260 7 ГОСТ 31954-2012 2 Барий (Ba2+) мг/л 0,310±0,062 0,1 ГОСТ 31870-2012 Результаты испытаний со скоростью 6 м/ч 1 Жесткость общая мг-экв/ дм3 9,0±1,350 7 ГОСТ 31954-2012 2 Барий (Ba2+) мг/л 0,328±0,065 0,1 ГОСТ 31870-2012 Результаты испытаний со скоростью 8 м/ч 1 Жесткость общая мг-экв/ дм3 9,3±1,395 7 ГОСТ 31954-2012 2 Барий (Ba2+) мг/л 0,344±0,069 0,1 ГОСТ 31870-2012 Рис. 1. Эскиз электрода в виде восьмиугольника пека и нефтяного кокса. Углеродосодержащая анодная масса состоит из 30-40 % масс нефтяного пека, остальное - нефтяной кокс. В исходную воду в качестве подщелачивающего реагента был добавлен NaOH в концентрации 100 мг/л. В результате повышен водородный показатель с 7,8 до 8,4. В качестве коагулянта был добавлен Al2(OH)3Cl3 в концентрации 100 мг/л. Затем было произведено барботирование пузырьками воздуха в течение 20 мин и фильтрование подготовленной воды со скоростью (4-8) м/ч (табл. 2). Из результатов опыта следует, что жесткость снизилась до нормативных значений, концентрация бария превышает допустимую величину. Для достижения цели испытуемая вода была пропущена через две ступени реагентного фильтрования. В первой ступени была применена модифицированная загрузка, во второй использован электрохимический фильтр. Водородный показатель исходной воды составил 7,3. При добавлении щелочи NaOH в концентрации 100 мг/л pH был доведен до 8,36. Натурная вода потеряла прозрачность, стала мутной. В качестве коагулянта применялся сернокислый натрий Na2SO4 в концентрации 150 мг/л. Аэрирование воды осуществлялось в течение 30 мин. Фильтр заполнялся силицированным кальцитом, загрузка промывалась раствором перманганата калия, после чего подготовленная вода фильтровалась с той же скоростью. Происходила следующая реакция с образованием осадка: Na2SO4+Ba(OH)2= 2NaOH+ BaSO4↓ Результаты опытов представлены в табл. 3. 2 1 3 4 35 Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 2 Таблица 3 Результаты очистки природной воды от солей жесткости и бария двухступенчатым реагентным фильтрованием № п/п Определяемые показатели Ед. измерения Результаты испытаний Величина допустимого уровня Нормативные документы на методы исследований Результаты испытаний до фильтрования 1 Жесткость общая мг-экв/ дм3 16,0±2,400 7 ГОСТ 31954-2012 2 Барий (Ba2+) мг/л 0,525±0,105 0,1 ГОСТ 31870-2012 Результаты испытаний со скоростью 4 м/ч 1 Жесткость общая мг-экв/ дм3 6,1±0,915 7 ГОСТ 31954-2012 2 Барий (Ba2+) мг-экв/ дм3 0,060±0,012 0,1 ГОСТ 31870-2012 Результаты испытаний со скоростью 6 м/ч 1 Жесткость общая мг-экв/ дм3 6,3±0,945 7 ГОСТ 31954-2012 2 Барий (Ba2+) мг-экв/ дм3 0,064±0,013 0,1 ГОСТ 31870-2012 Результаты испытаний со скоростью 8 м/ч 1 Жесткость общая мг-экв/ дм3 6,6±0,99 7 ГОСТ 31954-2012 2 Барий (Ba2+) мг-экв/ дм3 0,076±0,015 0,1 ГОСТ 31870-2012 Таблица 2 Эффект очистки природной воды от солей жесткости и бария электрохимическим фильтрованием № п/п Определяемые показатели Ед. измерения Результаты испытаний Величина допустимого уровня Нормативные документы на методы исследований Результаты испытаний со скоростью 4 м/ч 1 Жесткость общая мг-экв/ дм3 6,7±1,005 7 ГОСТ 31954-2012 2 Барий (Ba2+) мг/л 0,28±0,050 0,1 ГОСТ 31870-2012 Результаты испытаний со скоростью 6 м/ч 1 Жесткость общая мг-экв/ дм3 6,9±1,035 7 ГОСТ 31954-2012 2 Барий (Ba2+) мг/л 0,302±0,060 0,1 ГОСТ 31870-2012 Результаты испытаний со скоростью 8 м/ч 1 Жесткость общая мг-экв/ дм3 7,2±1,080 7 ГОСТ 31954-2012 2 Барий (Ba2+) мг/л 0,31±0,062 0,1 ГОСТ 31870-2012 Рис. 2. Технологическая схема очистки природной воды, содержащей повышенные концентрации солей жёсткости и бария Таким образом, можно сделать вывод: данная технология очистки справилась с поставленной целью и снизила показатели до требуемых величин. В ходе проведения опытов разработана инновационная схема водоподготовки, представленная на рис. 2. В.Д. Назаров, М.В. Назаров, А.А. Осипова, К.В. Димов, М.А. Дрёмина Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 2 36 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ Очистка природной воды осуществляется следующим образом: исследуемая вода забирается из источника водоснабжения 1 погружным насосом 2, после чего отправляется в камеру смешения 3, куда добавляется подщелачивающий реагент из реагентного хозяйства 4. Для интенсивного смешивания, хлопьеобразования и окисления оксида бария установлен компрессор 6. Далее добавляется коагулянт из реагентного хозяйства 5, после чего вода направляется в вертикальный отстойник 7. Шлам удаляется на шламовую площадку 8, а иловые воды насосом 9 направляются обратно в отстойник для повторного прохождения очистки. Фильтр 10 заполнен модифицированной загрузкой 11 , а фильтр 12 - силицированным кальцитом 13, который имеет каталитические свойства. С помощью насоса 9 исследуемый объект направляется на промывку фильтров 10 и 12. Очищенная от примесей вода поступает на завершающий этап очистки - ультрафиолетовое обеззараживание 14, а затем в резервуар чистой воды, после чего подаётся на насосную станцию второго подъёма 15 и по транспортной сети - трубопроводам - потребителю населенного пункта16. Выводы. Предложенная технология очистки природных вод от солей жесткости и бария включает в себя фильтрование в модифицированной загрузке в присутствии коагулянта и щелочного реагента, отстаивание, вторичное фильтрование в активном фильтрующем материале. Разработанная методика позволяет повысить качество воды.

About the authors

Vladimir D. NAZAROV

Ufa State Petroleum Technological University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Maksim V. NAZAROV

Ufa State Petroleum Technological University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Anna A. OSIPOVA

Ufa State Petroleum Technological University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Kirill V. DIMOV

Ufa State Petroleum Technological University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Maria A. DRYOMINA

Ufa State Petroleum Technological University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

  1. Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка. М.: Изд. МГУ, 1996. 680 с.
  2. Назаров В.Д., Зенцов В.Н., Назаров М.В., Водоснабжение в нефтедобыче: учеб. пособие. 2-е изд., перераб. Уфа: Изд-во «Нефтегазовое дело», 2010. 447 с.
  3. Патент РФ 2438985 МПК СО2F1/00. Способ очистки природных и сточных вод и устройство для его осуществления / Назаров В.Д., Назаров М.В.; заявл. 26.05.2010, опубл. 10.01.2012, Бюл. №1.
  4. Патент РФ 2422187 МПК B01D25/00. Сорбционный фильтр / Назаров В.Д., Назаров М.В., Лейпи И.В.; заявл. 18.08.2009, опубл. 27.06.2011, Бюл. №6.
  5. Патент РФ 240035 МПК CO2F1/46. Фильтр для очистки воды / Назаров В.Д., Назаров М.В., Музаметзянов А.Р.; заявл. 20.05.2009, опубл. 27.09.2010, Бюл. №27.
  6. Патент РФ 2399425 МПК BO3C3/00. Фильтр для очистки воды / Назаров В.Д., Назаров М.В., Музаметзянов А.Р.; заявл. 20.05.2009, опубл. 20.09.2010, Бюл. №26.
  7. Патент РФ 2390506 МПК C02F5/02.Способ умягчения природных вод / Назаров В.Д., Назаров М.В., Хабибуллина М.Р.; заявл. 27.09.2009, опубл. 27.05.2010, Бюл. №15.
  8. Патент РФ 2369565 МПК C02F5/00.Способ умягчения природных вод / Назаров В.Д., Назаров М.В., Хабибуллина М.Р.; заявл. 24.03.2008, опубл. 10.10.2009, Бюл. №28.
  9. Патент РФ 2360869 МПК C02F1/465. Устройство для электролитической обработки нефтесодержащих вод / Назаров В.Д., Назаров М.В., Хабибуллина М.Р.; заявл. 27.10.2008, опубл. 10.07.2009, Бюл. №19.
  10. Патент РФ на полезную модель 88346 C02F1/465. Скорый фильтр для очистки воды.// Назаров В.Д., Назаров М.В./ заявл. 20.05.2009, опубл. 10.11.2009, Бюл. №31.
  11. Патент РФ 2466102 МПК C02F1/46.Фильтр для очистки воды / Назаров В.Д., Назаров М.В., Крупина О.В., Зенцов В.Н.; заявл. 12.04.2011, опубл. 10.11.2012, Бюл. №31.
  12. Назаров М.В. Очистка природных и сточных вод электрохимическим фильтрованием // Градостроительство и архитектура. 2013. №1. С.51-60. doi: 10.17673/Vestnik.2013.01.9
  13. Назаров В.Д., Назаров М.В., Вайншток П.Н. Доочистка сточных вод нефтехимических предприятий электрохимическими методами // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. 2014. №5. С.10-13.

Statistics

Views

Abstract - 59

PDF (Russian) - 19

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Dimensions


Copyright (c) 2017 NAZAROV V.D., NAZAROV M.V., OSIPOVA A.A., DIMOV K.V., DRYOMINA M.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies