Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ ХОЗЯЙСТВЕННО-ПИТЬЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ ОТ СОЕДИНЕНИЙ ЛИТИЯ

Изобретение относится к области водоподготовки и может быть использовано для очистки природных вод из подземных источников от соединений лития при получении воды хозяйственно-питьевого назначения.

Известен способ очистки сточной воды от лития, цинка и хрома, включающий обработку сточной воды электродиализом при плотности тока 0,5-5,0 мА/см² с использованием в качестве анионселективной мембраны 3-15% раствора триоктиламина в алифатическом спирте, а в качестве катионселективной мембраны - раствора ди-2-этил-18-краун-6 в валериановой кислоте (Патент SU №939399 от 19.06.1979 г.). Данный способ применяется в технологии очистки сточных вод анилино-красочной промышленности, недостатками его являются сложная технология очистки и неприменимость заявленных реагентов для очистки природной воды хозяйственно-питьевого назначения.

Известен способ ионообменного извлечения лития из природной воды, включающий пропускание воды через сорбент на основе оксидов марганца или оксидов марганца и алюминия в Н⁺ - форме, регенерацию сорбента азотной кислотой с одновременным получением концентрата лития (Патент SU №1726379 от 21.11.1989 г.). Известный способ относится к химической промышленности и гидрометаллургии, недостатками его являются загрязнение получаемого раствора солями марганца и алюминия и сложность процесса регенерации, в результате которого потребуется подщелачивание воды. Все это делает невозможным применение данного способа в подготовке питьевой воды.

В статье Гречушкина А.Н. и др. «Об удалении лития из воды методом обратного осмоса» (Водоснабжение и канализация, 2013, №1-2, с. 72-74) приводятся результаты экспериментальных исследований по удалению лития методом обратного осмоса из приготовленных модельных растворов с содержанием лития в количестве 50 мг/л в диапазоне рН от 3,5 до 7,7 и диапазоне отбора пермеата от 30% до 70%. Селективность мембраны по ионам лития составила 94,3% при выходе пермеата в объеме 30% и 92,2% при выходе пермеата в объеме 70%. Погрешность измерения содержания лития составила 30%. Исходя из результатов, остаточное содержание лития в воде превышает предельно допустимые концентрации, установленные для питьевых вод. Данные о результатах очистки реальной воды отсутствуют. Существенным недостатком этого способа очистки является недостаточная эффективность очистки природных вод от ионов лития в реальных условиях, а также значительные технологические потери воды, ведущие к нерациональному использованию запасов подземных вод.

В опубликованных материалах имеются сведения об извлечении лития из различных растворов и рассолов для промышленных целей, в то время как информация о системах водоподготовки хозяйственно-питьевого назначения, позволяющих снижать содержание лития, отсутствует. Обзор литературных источников не дает представления о теоретических основах удаления лития из воды и его взаимодействии с различными элементами в процессе химических реакций.

В соответствие с СанПиН 2.1.4.1074-01. «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества» литий относится ко второму классу опасности с санитарно-токсикологическим показателем вредности, что ставит его в одну группу с токсичными металлами. Поэтому содержание лития в воде строго нормируется и не должно превышать предельно допустимых концентраций, установленных для питьевых вод в количестве 0,03 мг/л.

В основу настоящего изобретения положена задача разработать эффективный способ очистки подземных вод от ионов лития, который может применяться в системах водоподготовки хозяйственно-питьевого назначения.

Указанная задача решается путем пропуска воды через слой сильнокислотной Na-катионитной ионообменной смолы с зернами моносферного типа диаметром 0,6-0,8 мм, содержащими активные сульфогруппы, при этом подземная вода предварительно доводится до температуры 15-18°С, а пропуск ее через слой ионообменной смолы осуществляется в условиях гидростатического давления. В результате этого уменьшается вязкость воды и возрастает время контакта очищаемой воды с ионообменной смолой, вследствие чего увеличиваются скорость и глубина прохождения ионообменных реакций. Способ обеспечивает достижение показателей качества воды по содержанию лития менее 0,03 мг/л, что является допустимым для вод хозяйственно-питьевого назначения. Для корректировки очищенной воды по солям жесткости предусматривается последующее ее фильтрование через слой загрузки на основе смеси карбоната кальция СаСО₃ и карбоната магния MgCO₃ естественного происхождения, при этом может пропускаться весь поток воды или его часть с дальнейшим смешиванием с основным потоком. В результате этого происходит медленное растворение фильтрующей загрузки и насыщение потока воды катионами кальция и магния, что обеспечивает физиологическую полноценность очищенной питьевой воды.

Литий обладает наименьшим атомарным радиусом среди щелочных металлов, и, следовательно, наибольшим ионизационным потенциалом, поэтому он химически менее активен. Несмотря на то, что доля лития в подземных водах незначительна, его содержание в десятки раз превышает предельно допустимые концентрации, установленные для хозяйственно-питьевых вод. Все это обуславливает сложность его удаления из природных вод.

Предполагается, что реакции замещения ионов лития на ионы натрия на Na-катионитной ионообменной смоле запишутся следующим образом:

в молекулярной форме:

2NaR+Li₂SO₄→2LiR+Na₂SO₄;

NaR+LiCl→LiR+NaCl,

в ионной форме:

Na⁺R^-+Li⁺→Li⁺R^-+Na⁺,

где R - сложный радикал катионита, не подлежащий растворению в водной среде.

Реакция регенерации Na-катионитной ионообменной смолы в молекулярной форме будет иметь вид:

LiR+NaCl→NaR+LiCl.

Апробация ионообменного метода очистки воды от ионов лития проведена на лабораторной безнапорной установке в лаборатории подземных вод и геохимии криолитозоны ФГБУН Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова Сибирского отделения Российской академии наук. Экспериментальные исследования проводились на подземных водах, отобранных из эксплуатационных скважин, расположенных на территории г. Якутска.

Предварительно, перед проведением экспериментов по очистке подземных вод, содержащих 0,378-0,5 мг/л лития, ионообменная смола была замочена в регенерационном растворе хлорида натрия NaCl с дозой соли 100 г/л и выдержана в нем в течение 60 мин. Фильтрование подземной воды через слой ионообменной смолы, загруженной в лабораторную безнапорную установку, производилось сверху вниз со скоростью от 0,14 до 0,34 л/мин.

В режиме фильтрации подача предварительно доведенной до температуры 15-18°С подземной воды в корпус фильтра осуществляется в верхний отсек с ложным днищем, имеющим конусообразную глухую перегородку и центральную перфорированную вставку, через которую поток воды попадает в центральный стакан, загруженный сильнокислотной Na-катионитной ионообменной смолой с зернами моносферного типа диаметром 0,6-0,8 мм, содержащими активные сульфогруппы, где происходит реакция замещения ионов лития на ионы натрия. Профильтрованная вода через перфорированное днище проходит в нижний сборный отсек и с помощью отводного патрубка отводится из установки.

После очистки воды, содержание лития снизилось до 0,008-0,011 мг/л, что не превышает установленных предельно допустимых концентраций для питьевых вод. Результаты проведенных экспериментов представлены в таблице.

Эффективность предложенного способа очистки подземной воды от ионов лития в среднем составляет 97,55%. Таким образом, применение заявленного способа очистки воды хозяйственно-питьевого назначения от соединений лития позволяет достигать соответствия показателей качества воды по содержанию лития, установленным в СанПиН 2.1.4.1074-01 требованиям.

После очистки подземной воды от ионов лития заявленным способом может быть произведена корректировка химического состава воды по солям жесткости, включающая фильтрование воды через слой загрузки на основе смеси карбоната кальция СаСО₃ и карбоната магния MgCO₃ естественного происхождения, при этом может пропускаться весь поток воды или его часть с дальнейшим смешиванием с основным потоком. В результате этого происходят медленное растворение фильтрующей загрузки и насыщение потока воды катионами кальция и магния, при этом реакции взаимодействия будут иметь вид:

СаСО₃+Na₂SO₄→CaSO₄+Na₂CO₃

СаСО₃+NaCl→CaCl+Na₂CO₃

MgCO₃+Na₂SO₄→MgSO₄+Na₂CO₃

MgCO₃+NaCl+→MgCl+Na₂CO₃.

Регулирование процентного содержания потоков воды и скорости фильтрования через фильтрующую загрузку позволяет оптимизировать состав воды по катионам кальция и магния, что обеспечивает физиологическую полноценность очищенной питьевой воды.

Изобретение может быть использовано для очистки природных вод из подземных источников от соединений лития при получении воды хозяйственно-питьевого назначения, а также воды для нужд пищевой промышленности и сельского хозяйства.