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Procédé d'épuration et de clarification des eaux.
Cette invention concerne un nouveau'procédé perfectionne de coagulation de particules suspendues dans l'eau et plus par- ticulièrement la clarification de l'eau provenant d'une installa- tion de lavage de charbon.
Plusieurs agents de coagulation servant à clarifier les liquides sont connus; par exemple l'aluminate de soude, l'alun et l'amidon. On sait que des solutions colloïdales de silice peu- vent servir comme agents accélérateurs dans la coagulation d'une petite quantité de fines particules normalement présente dans l'eau brute pendant le traitement au sulfate d'aluminium. On connaît également le rôle d'agent de coagulation'joué par les solutions colloîdales de silice pour de petites quantités de ma- tière en suspension dans les eaux dures contenant du magnésium.
Cependant, la clarification de.l'eau provenant du lavage de char- bon est un problème tout différent de celui posé par des eaux brutes
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auxquelles on ajoute des matières coagulantes et lui servent à alimenter les villes, parce que, dans le premier cas, la quan- tité de particules en suspension est d'ordinaire beaucoup plus grande - d'habitude de 3 à 10% en poids - et parce que ces par- ticules sont de nature minérale et de dimensions très variées.
La nature nettement différente du problème est mise en évidence par le fait que la plupart des agents de coagulation connus, exception faite, peut être de l'amidon peu ou pas utilisé dans le traitement des eaux de ville, sont inefficaces ou d'un ren- dement irrégulier pour coaguler les particules suspendues dans les eaux provenant du lavage de charbon. Les lavoirs de char- bon utilisent de grands volumes d'eau dont il est difficile de disposer parce qu'elle contient beaucoup de particules soli- des et qu'elle est vraiment noire.
Il a été constaté que la silice soluble donne de très bons résultats lorsqu'elle est associée à des sels d'aluminium ou d'autres agents de coagulation pour clarifier les eaux pro- venant du lavage de charbon ou de l'eau de rivière contaminée par ces eaux de lavage, à condition qu'elle ait un pH approprié.
La présente invention propose un procédé de clarifica tion de l'eau de lavage de charbon dans leouel on ajoute à celle- ci de la silice soluble ainsi qu'un agent de coagulation tel que le sulfate d'aluminium ou l'aluminate de sodium, et on isole ensuite la matière coagulée. Par silice soluble il faut entendre de la silice sous forme d'une solution a.aueuse, d'une solution colloidale ou d'une dispersion, pouvant contenir également d'au- tres éléments tels que de petites quantités d'alcali caustique servant à stabiliser cette forme de silice ou des sels formés pendant la fabrication de la silice soluble.
Une solution colloïdale arrivée à l'état de gel n'est pas du tout indiquée, quoiqu'un certain vieillissement semble intéressant pour per- mettre à la solution colloïdale d'atteindre sa forme la plus
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La silice soluble utilisée dans l'invention peut être avantageusement obtenue au départ d'une solution de silicate alcalin telle que le silicate de sodium en enlevant la plus grande partie de l'alcanilité caustique c'est-à-dire en la neu- tralisant partiellement par de l'acide ou du bicarbonate de sou- de% ou¯par un traitement d'échange d'ions.
Une telle solution de silicate contient de préférence entre 0,1% et 3% de SiO2 et une mole de Na20 alcalin libre (c'est-à-dire à alcanité causti- ..que ou d'hydroxyde) par 10-50 moles de SiO2, ces proportions donnant une solution suffisamment stable de silice sous sa forme la plus active et la quantité d'une telle solution à ajouter convenant à des opérations sur une échelle très étendue. Il est bon d'employer suffisamment de solution pour avoir de 10 à 100 parties, de préférence entre 20 et 50 parties, de SiO2 soluble en poids pour un million de parties d'eau de lavage, et entre
20 et 200 parties en poids de sulfate d'aluminium sous forme de solution dans un million de parties d'eau de lavage.
Ces quantités dépendent évidemment, entre autres, de la quantité et de la finesse de la matière à précipiter, de la nature des -autres matières mélangées aux poussières de charbon telles que l'argile, et des conditions de l'installation, la quantité mi- nima nécessaire pour obtenir de bons résultats étant facilement déterminée par des essais, dans n'importe quel cas particulier.
La silice soluble et l'agent de coagulation peuvent être ajoutés sous forme de solutions, soit ensemble, soit l'un après l'autre; on obtient souvent le meilleur résultat en mettant d'abord l'a- gent de coagulation et ensuite la silice soluble. Le pH du mé- lange sera générqlement entre 6 et 8, parce que ce chiffre donne les meilleurs résultats, quoique l'on peut utiliser le procédé avec des pH supérieurs ou inférieurs, tandis qu'il est souvent souhaitable de régler le pH à une valeur comprise entre 6 et 8.
Dans la fabrication,-de là silice soluble, il est de la' première importance de choisir des conditions adéquates, si l'on
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veut obtenir les meilleurs résultats. Il a été constaté qu'un des meilleurs moyens de la fabriquer est d'ajouter 5 d'acide sulfurique à une solution aqueuse de silicate de sodium, à la température ordinaire, en agitant à fond, de façon à avoir une solution contenant de 3 à 5% de SiO2 et une alcalinité caustique égale à 0,1-0,2% Na20. L'agitation sera telle qu'il n'y ait à aucun moment une concentration locale d'acide élevée qui provo- querait le gel. On obtient une agitation convenable habituellement au moyen d'un agitateur du type à hélice.
La solution obtenue devra reposer,de préférence entre une demi-heure et six heures, après quoi elle est diluée jusqu'à contenir entre 0,1' et 3% de SiO2. Les solutions préparées de la manière décrite ci-dessus subissent certaines transformations pendant la période de repos, qui changent leur valeur dans le cas présent. Les meilleurs ré- . sultats ont été obtenus en diluant la solution fraîchement fa- briquée, après une heure de repos, mais la période optima dé- pend, entre autres, de la concentration en SiO2 et du rapport en moles de Na20 à SiO2.
On peut également fabriquer la silice soluble avec ces matières en ajoutant continuellement les solu- tions d'acide et de silicate de sodium à une quantité de silice soluble déjà formée que l'on agite, et en faisant couler conti- nuellement le mélange dans un récipient où il repose et ensuite dans un récipient où il est dilué. Avec ces procédés de neutra.li- sation, le liquide contient du sulfate de sodium ou d'autres sels formés par la neutralisation ainsi nue la silice sous forme de solution colloïdale.
Comme variante pour la fabrication de silice soluble, l'alcalinité caustique d'une solution de silicate de sodium peut être transformée en alcalinité de carbonate, en ajoutant par exemple du bicarbonate de sodium. Le mélange est agité, repose ensuite pendant une période ne dépassant généralement pas quel- ques heures, et est enfin dilué. Dans ce cas il n'est pas néces- saire de contrôler aussi soigneusement les proportions employées
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dans la fabrication'de la silice soluble, et, en effet, il y a peu d'inconvénient à ajouter trop de bicarbonate dans le but de transformer l'alcalinité caustique de la solution de silicate en alcalinité de carbonate.
Dans un,. troisième procédé de fabrication de silice soluble, on peut neutraliser une partie de ou presque toute 'l'alcalinité de la solution de silicate de sodium en passant la solution à travers une couche de matière servant à l'échange de cations qui a été régénérée auparavant, au moyen d'un acide mi- néral dilué. Il en résulte directement un liquide contenant des silices ayant à peu près la même concentration que la solution de silicate de sodium initiale, mais ayant moins de Na20 alcalin ou d'alcalinité caustique que la solution d'origine.
Dans un procédé conforme à l'invention, l'on ajoute une solution aqueuse de sulfate d'aluminium contenant de 20 à 200, ou de préférence entre 50 et 200, parties en poids de Al2(SO4)3 à un million de parties en poids soit d'eau de lavage de charbon soit d'eau de rivière contaminée par cette eau de lavage de charbon, et l'on ajoute ensuite de 20 à 50 parties en poids de silice soluble obtenue comme décrit ci-dessus, l'on mélange intimement et on laisse précipiter. Le mélange peut se faire en ajoutant les matières dans un récipient et en agitant pendant 2 à 10 minutes, ou en réunissant les matières et en ajoutant le mélange au récipient où on l'agite convenablement.
L'eau sortant de la cuve de précipitation est suffisamment claire et incolore pour être renvoyée à la rivière ou pour être réuti- lisée au lavage du charbon.
L'invention est illustrée par mais non limitée aux exemples suivants où les proportions sont données en poids.
EXEMPLE 1.-
L'eau de lavage de cet exemple contient 0,75 gramme de suspension solide par 100 millilitres et a un pH de 7,7. On
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ajoute à un million de parties de cette eau, une solution conte- nant 90 parties de sulfate d'aluminium, et une solution contenant 45 parties de solution colloïdale de silice obtenue en neutrali- sant partiellement une solution diluée de silicate de sodium avec de l'acide sulfurique, en laissant reposer une heure et en diluant. Cette solution colloïdale de silice contenait 0,3% SiO2 et 1200 parties en poids d'alcalinité mesurée au méthyl orange en termes de CaC03 pour un million de parties de solution.
En pré- cipitant pendant moins d'une minute, l'eau traitée est devenue un liquide clair ayant les 4/sèmes du volume total et un pH de 6,6. A titre de comparaison., l'eau non traitée n'a pas précipi- té entièrement en une heure, et un traitement avec rien que 80 parties de sulfate d'aluminium n'amenait qu'une précipitation incomplète après cinq minutes.
EXEMPLE 2.-
On ajoute à un million de parties d'eau de lavage de charbon contenant 2,4 grammes de suspension solide par 100 millilitres et ayant un pH de 7,0, 100 parties de chaux, 30 par- ties de sulfate d'aluminium et 30 parties de la solution colloî- dale de silice de l'exemple 1. La plus grosse partie des matiè- res solides précipita après 1 minute, alors que l'eau non traitée était encore bien trouble après quinze minutes.
Quoique le procédé donné dans les exemples est une opération discontinue par volumes limités, les avantages de la présente invention étant évalués par l'augmentation de la vi- tesse de précipitation, une opération à grande échelle comprend généralement un procédé continu dans lequel le perfectionnement' est exprimé en augmentation de débit pour un filtrage donné ou une vitesse de précipitation donnée et/ou l'exigence d'obtenir une eau pratiquement incolore au lieu d'une eau noirâtre, comme c'était le cas jusqu'ici.
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Water purification and clarification process.
This invention relates to a new and improved method of coagulating suspended particles in water and more particularly to the clarification of water from a coal washing plant.
Several coagulating agents for clarifying liquids are known; for example sodium aluminate, alum and starch. It is known that colloidal solutions of silica can serve as accelerating agents in the coagulation of a small amount of fine particles normally present in raw water during treatment with aluminum sulfate. The role of coagulating agent played by colloidal silica solutions for small amounts of suspended material in hard waters containing magnesium is also known.
However, the clarification of the water from coal washing is a very different problem from that of raw water.
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to which coagulants are added and serve to feed towns, because in the former case the amount of suspended particles is usually much greater - usually 3 to 10% by weight - and because these particles are mineral in nature and vary in size.
The markedly different nature of the problem is evidenced by the fact that most of the known coagulating agents, with one exception, may be little or no starch used in the treatment of city water, are ineffective or of a ren - strongly irregular to coagulate the particles suspended in the water coming from the washing of coal. Charcoal washhouses use large volumes of water which is difficult to dispose of because it contains a lot of solid particles and is really black.
Soluble silica has been found to give very good results when combined with aluminum salts or other coagulating agents to clarify water from coal washing or contaminated river water. by these washing waters, provided it has an appropriate pH.
The present invention provides a process for clarifying the charcoal wash water in which soluble silica is added thereto as well as a coagulating agent such as aluminum sulfate or sodium aluminate, and then isolating the coagulated material. By soluble silica is meant silica in the form of an aqueous solution, a colloidal solution or a dispersion, which may also contain other elements such as small quantities of caustic alkali serving to stabilize this form of silica or salts formed during the manufacture of soluble silica.
A colloidal solution which has reached the state of a gel is not at all indicated, although a certain aging seems advantageous to allow the colloidal solution to reach its most suitable form.
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The soluble silica used in the invention can advantageously be obtained starting from an alkali silicate solution such as sodium silicate by removing most of the caustic alkanility, that is to say by neutralizing it. partially by acid or sodium bicarbonate or by ion exchange treatment.
Such a silicate solution preferably contains between 0.1% and 3% of SiO2 and one mole of free alkaline Na2O (i.e. caustic alkanity or hydroxide) per 10-50 moles. of SiO2, these proportions giving a sufficiently stable solution of silica in its most active form and the quantity of such a solution to be added suitable for operations on a very large scale. It is good to use enough solution to have 10 to 100 parts, preferably 20 to 50 parts, soluble SiO2 by weight per million parts of wash water, and between
20 and 200 parts by weight of aluminum sulphate as a solution in one million parts of wash water.
These quantities obviously depend, among other things, on the quantity and fineness of the material to be precipitated, on the nature of the other materials mixed with coal dust such as clay, and on the conditions of the installation, the quantity mi - nima necessary to obtain good results being easily determined by trials, in any particular case.
The soluble silica and the coagulating agent can be added as solutions, either together or one after the other; the best result is often obtained by adding the coagulating agent first and then the soluble silica. The pH of the mixture will generally be between 6 and 8, because this figure gives the best results, although the process can be used with higher or lower pHs, while it is often desirable to adjust the pH to a higher or lower pH. value between 6 and 8.
In the manufacture of soluble silica it is of the utmost importance to choose suitable conditions, if one
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wants to achieve the best results. It has been found that one of the best ways to make it is to add 5 sulfuric acid to an aqueous solution of sodium silicate, at room temperature, with thorough stirring, so as to have a solution containing 3. at 5% SiO2 and a caustic alkalinity equal to 0.1-0.2% Na20. Stirring will be such that there is at no time a high local concentration of acid which will cause freezing. Suitable agitation is obtained usually by means of a propeller type stirrer.
The solution obtained should stand, preferably between half an hour and six hours, after which it is diluted to contain between 0.1 'and 3% SiO2. The solutions prepared in the manner described above undergo certain transformations during the period of standing, which change their value in the present case. The best re-. The results were obtained by diluting the freshly made solution, after standing for one hour, but the optimum period depends, inter alia, on the SiO2 concentration and the mole ratio of Na2O to SiO2.
Soluble silica can also be made with these materials by continually adding the acid and sodium silicate solutions to an amount of soluble silica already formed which is stirred, and continuously flowing the mixture into a liquid. container where it rests and then in a container where it is diluted. With these neutralization processes, the liquid contains sodium sulfate or other salts formed by thus neutralizing the silica as a colloidal solution.
As an alternative for the manufacture of soluble silica, the caustic alkalinity of a sodium silicate solution can be converted into carbonate alkalinity, for example by adding sodium bicarbonate. The mixture is stirred, then stands for a period not generally exceeding a few hours, and is finally diluted. In this case it is not necessary to control the proportions used so carefully.
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in the manufacture of soluble silica, and indeed there is little inconvenience in adding too much bicarbonate for the purpose of converting the caustic alkalinity of the silicate solution to the alkalinity of the carbonate.
In one,. Third method of making soluble silica, part or almost all of the alkalinity of the sodium silicate solution can be neutralized by passing the solution through a layer of cation exchange material which has been regenerated previously , using a dilute mineral acid. This directly results in a liquid containing silicas having approximately the same concentration as the initial sodium silicate solution, but having less alkali Na 2 O or caustic alkalinity than the original solution.
In a process according to the invention, an aqueous solution of aluminum sulphate containing from 20 to 200, or preferably between 50 and 200, parts by weight of Al2 (SO4) 3 to one million parts by weight is added. weight of either coal washing water or river water contaminated with this coal washing water, and then 20 to 50 parts by weight of soluble silica obtained as described above are added, mix thoroughly and let precipitate. Mixing can be done by adding the materials to a container and stirring for 2-10 minutes, or by pooling the materials and adding the mixture to the container where it is stirred well.
The water leaving the precipitation tank is clear and colorless enough to be returned to the river or to be reused in the washing of the coal.
The invention is illustrated by but not limited to the following examples where the proportions are given by weight.
EXAMPLE 1.-
The wash water in this example contains 0.75 grams of solid suspension per 100 milliliters and has a pH of 7.7. We
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adds to a million parts of this water, a solution containing 90 parts of aluminum sulphate, and a solution containing 45 parts of colloidal silica solution obtained by partially neutralizing a dilute solution of sodium silicate with sulfuric acid, leaving to stand for an hour and diluting. This colloidal silica solution contained 0.3% SiO2 and 1200 parts by weight of alkalinity measured with methyl orange in terms of CaCO3 per million parts of solution.
By precipitating for less than a minute, the treated water became a clear liquid having 4% of the total volume and a pH of 6.6. For comparison, the untreated water did not precipitate completely in one hour, and treatment with just 80 parts of aluminum sulfate resulted in incomplete precipitation after five minutes.
EXAMPLE 2.-
To one million parts of charcoal wash water containing 2.4 grams of solid suspension per 100 milliliters and having a pH of 7.0 are added 100 parts of lime, 30 parts of aluminum sulphate and 30 parts. parts of the colloidal silica solution of Example 1. Most of the solids precipitated out after 1 minute, while the untreated water was still quite cloudy after fifteen minutes.
Although the process given in the examples is a batch operation with limited volumes, the advantages of the present invention being evaluated by the increase in the rate of precipitation, a large-scale operation generally comprises a continuous process in which the improvement. is expressed as an increase in flow rate for a given filtering or a given precipitation rate and / or the requirement to obtain practically colorless water instead of blackish water, as was the case hitherto.