Способ получения сорбента для очистки воды

(51) 02 1/28 (2006.01) 02 1/62 (2006.01) 01 20/02 (2006.01) 01 20/32 (2006.01) 32 3/00 (2006.01) МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ сорбентов, которые могут быть использованы в экологии, очистке воды от ионов тяжелых металлов. Способ получения сорбентов для очистки воды,включает обработку(75-80) пористого кремнийсодержащего носителя в виде отходов производства газобетона водной суспензией (1020) акриловой кислоты в присутствии (5-10) хлористого натрия, проводимую в ультразвуковом поле с частотой излучения от 20 до 40 кГц,мощностью от 60 до 80 Вт при температуре 22-30 С в течение 20-40 мин. В результате реализации способа получают сорбент для очистки воды,обладающий повышенной степенью сорбции и коэффициентом распределения по отношению к тяжелым металлам. При этом,заявляемый способ является энергосберегающим.(72) Мансуров Зулхаир Аймухаметович Мофа Нина Николаевна Черноглазова Татьяна Викторовна Садыков Бахтияр Сейсембекович Сабаев Жандарбек Жанабилулы(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Институт проблем горения Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СОРБЕНТА ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ Изобретение относится к химической технологии, в частности к способу получения сорбентов, которые могут быть использованы в экологии, очистке воды от ионов тяжелых металлов. Известен способ получения сорбента для сорбционной очистки сточных вод, модельных растворов от тяжелых металлов, в качестве которого использовали цеолит Майнского месторождения Ульяновской области. Фракции цеолита 1-2 и 3-5 мм предварительно обрабатывают при 200 С в течение 1,5 ч и подвергают воздействию ультразвука в водной среде при частоте 20 кГц в течение 1 ч. Степень извлечения ионов цинка из растворов 96,0 99,2 (фракция 1-2 мм) 92,0 - 97,0 (фракция 3-5 мм). Извлечение ионов меди из воды 87,8 94,5 (фракция 1-2 мм) 85,6 - 93,0 (фракция 3-5 мм). (Милушкин В.М., Ильин А. П. Сорбционные процессы извлечения примесей тяжелых металлов из воды при действии ультразвука // Сорбционные и хроматографические процессы.- 2009. - Т.9, Вып. 2.- с.308-314). Недостатком известного способа является его повышенная энергоемкость. Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу, является способ получения неорганических сорбентов, включающий обработку пористого носителя, выбранного из стеклянного порошка, активного угля или силикагеля водной суспензией сорбционно активного нерастворимого соединения, выбранного из ряда ферроцианид никеля, гидроксид алюминия, сульфид меди, при воздействии ультразвукового излучения мощностью от 50 до 200 Вт и частотой от 22 до 60 кГц при температуре 70-90 С в течение 2-6 ч. (РФ Патент 2490058, МПК 8 01 20/02, 01 20/32, В 82 В 3/00,опубл. 20.08.2013) Недостатком способа являются его повышенная энергоемкость и длительное время обработки носителя для осаждения активных сорбционных материалов в капиллярах пористого носителя и пониженный коэффициент распределения. Задачей заявляемого технического решения,является разработка способа получения сорбента для очистки воды от ионов тяжелых металлов. Технический эффект поставленной задачи состоит в энергосбережении заявляемого способа с использованием техногенного сырья и сохранением прочностных характеристик сорбента при повышенных сорбционных свойствах. Задача решается тем, что способ получения сорбентов для очистки воды, включает обработку(75-80) пористого кремнийсодержащего носителя в виде отходов производства газобетона водной суспензией (10-20) акриловой кислоты в присутствии(5-10) хлористого натрия,проводимую в ультразвуковом поле с частотой излучения от 20 до 40 кГц, мощностью от 60 до 80 Вт при температуре 22-30 С в течение 20-40 мин. Отличительным признаком заявляемого технического решения является то, что в качестве пористого кремнийсодержащего носителя используют отходы производства газобетона в количестве (75-80), на который воздействуют 2 ультразвуковым излучением при температуре 2230 С в течение 20-40 мин в водной суспензии (1020) акриловой кислоты в присутствии (5-10) хлористого натрия. Использование отходов производства газобетона в качестве пористого сорбента обусловлено его высокоразвитой пористой структурой,способствующей повышению степени сорбции ионов тяжелых металлов. Фазовый состав отходов производства газобетона представлен кварцем 2- 36,6, тоберморитом 5261642 - 34,кальцитом СаСО 3- 25,9 и микроклином 38 3,5. Кроме того, принятое решение позволяет достичь технического эффекта поставленной задачи- использование техногенного сырья. Кварц, входящий в состав отходов производства газобетона, обладает хорошими сорбционными свойствами и его традиционно используют для очистки воды. (Айлер Р. Химия кремнезема. Т. 1. / Пер. с англ. Под ред. докт. техн. наук, проф. Прянишникова В.П. - М. Мир. - 1982. - .416. Кальцит,входящий в состав отходов производства газобетона, является активной составляющей сорбента для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. (Годымчук А.Ю. Технология изготовления силикатно-карбонатных сорбентов для очистки воды от катионов тяжелых металлов //Дисс. на соискание уч.степ. к.т.н. Томск. 2003. с.141 Елизаров Ю.Г., Устиновская Э.Л.,Кудрявцев А.Х., Паушкин Я.М. и др. Влияние ультразвука на скорость ионного обмена на цеолитах // Вестник АН БССР. Сер. хим. наук. 1975,-1. .10-12.) Известно применение сорбентов, включающих искусственный тоберморит, синтезированный на основе стекольных отходов, которые способны извлекать из воды токсичные вещества (особенно свинец и кадмиевые ионы). ( .//, . 15. - 2011..// . .. - 2011. 8 (3/4).- .366- 382.) Количественное соотношение компонентов в заявляемом способе подобрано экспериментально для достижения технического эффекта поставленной задачи. Известно, что материалы на основе акриловых сополимеров являются высокоэффективными сорбентами по отношению к ионам тяжелых металлов в воде. (Кабакова М.М., Успенская М.В.,Сиротинкин Н.В., Санатин Е.В. Поведение сшитых сополимеров акриловой кислоты и 5-винилтетразола в водных средах // Журнал прикладной химии. 2003. -Т.76, вып. 7. .1210-1212. Успенская М.В. Адсорбирующие композиции на основе тетразолилакрилатных сополимеров и стеклянных наполнителей // Научно-технический вестник СПбГУИТМО - 2005. - Вып.20. .37 - 40.) В заявляемом способе активные сорбционные материалы - акриловые сополимеры, формируются на поверхности пористого носителя из водной суспензии акриловой кислоты в присутствии хлористого натрия под воздействием ультразвукового излучения. Радикальная полимеризация акриловой кислоты происходит в водных растворах и существенно усиливается в присутствии ионов , образуя комплексы со всеми щелочными металлами.,- 2005,18, .217-325). Выбранные активные сорбционные материалы позволяют в заявляемом способе минимизировать параметры ультразвукового излучения. Инициирование эффективной полимеризации под воздействием ультразвукового излучения позволяет снизить его мощность до 60-80 Вт, в отличие от известного способа,требующего мощность ультразвукового излучения до 200 Вт. Кроме того,формирование на поверхности пористого носителя активных сорбционных материалов в виде акриловых сополимеров из водной суспензии акриловой кислоты в присутствии хлористого натрия в заявляемом способе позволяет снизить температуру обработки до температуры 22-30 С и время обработки до 20-40 мин, в отличие от известного способа, требующего воздействия ультразвукового излучения при температуре 7090 С в течение 2-6 часов. Таким образом, использование в заявляемом способе акриловой кислоты в присутствии хлористого натрия в качестве активных сорбционных материалов позволяет достичь заявляемого технического эффекта поставленной задачи. Обработка пористого кремнийсодержащего носителя водной суспензией сорбционно-активного материала, проводимая в ультразвуковом поле позволяет сократить продолжительность насыщения сорбента и увеличить его емкость. При акустическом воздействии на сорбент изменяется не только поверхностный слой зерен, но и капиллярная структура. Кроме того,использование ультразвуковой обработки сорбента в водной суспензии позволяет эффективно проводить обеззараживание сорбента. Во время этого процесса возникает ультразвуковая кавитация. Резкая смена физического состояния жидкости, происходящая с частотой ультразвука, разрушает микроорганизмы,находящиеся на поверхности сорбента (Мейсон Т.,Линдли Дж., Дэвидсон Р., Лоример Дж. и др. Химия и ультразвук. - М. Мир. - 1993. .7-63). Обработка пористого кремнийсодержащего носителя водной суспензией сорбционно-активного материала, проводимая в ультразвуковом поле способствует снижению вязкости образующегося полимера, что обеспечивает его проникновение в поры носителя, изменяя физические свойства получаемого сорбента в сторону повышения его сорбционных свойств. Кавитационные потоки,возникающие при воздействии ультразвука на пористый кремнийсодержащий носитель в водной суспензии акриловой кислоты в присутствии хлористого натрия,обеспечивают активное проникновение в поры носителя образующегося полимера,сопровождающееся интенсивной дегазацией, которая в свою очередь, ведет к значительному уменьшению количества воздушных газовых включении в получаемый сорбент, что ведт к повышению его качества и прочности.( Прохоренко П.П., Дежкунов Н.В., Коновалов Г.Е. Ультразвуковой капиллярный эффект. - Минск Наука и техника. -1981.-Ч.1. с.135). При выборе режимов ультразвуковой обработки большую роль играет ее частота и мощность. Одним из существенных недостатков использования ультразвуковых колебаний большой мощности является создание большой интенсивности ультразвуковых колебаний во всем объеме. При воздействии на раствор ультразвуковыми колебаниями с интенсивностью, превышающей порог кавитации,излучатель ультразвука подвергается разрушительным воздействиям. Тогда как низкие частоты и малые мощности не обеспечивают достаточной кинетики химических реакций.(Ханукаев Б.Б.,Ханукаева И.С. Закономерности протекания некоторых химических реакций в твердой фазе под влиянием ультразвука // Журнал физической химии. - 1998.- .72, 9. .1607-1611. Коныдина П.С. Влияние ультразвука и микроволнового излучения на некоторые реакции органического синтеза. / Диссертация на соискание ученой степени ктн Уфа, 2006 г, с.150). Параметры ультразвукового излучения частотой от 20 до 40 кГц и мощностью от 60 до 80 Вт и время его воздействия 20-40 мин подобраны экспериментально для эффективного осаждения сорбционно-активного материала в порах пористого сорбента. Таким образом, воздействие на отходы производства газобетона в количестве (75-80),ультразвуковым излучением частотой от 20 до 40 кГц и мощностью от 60 до 80 Вт при температуре 22-30 С в течение 20-40 мин в водной суспензии(10-20) акриловой кислоты в присутствии (5-10) хлористого натрия позволяет достичь технического результата заявляемого способа, который состоит в энергосбережении заявляемого способа с использованием техногенного сырья и сохранением прочностных характеристик сорбента при повышенных сорбционных свойствах. Способ получения сорбента для очистки воды выполняют следующим образом. Отходы производства газобетона в количестве 75-80 кг дробят и обрабатывают водной суспензией 10-20 кг акриловой кислоты в присутствии 5-10 кг хлористого натрия при воздействии ультразвука с частотой излучения от 20 до 40 кГц, мощностью от 60 до 80 Вт при температуре 22-30 С в течение 2040 мин. В результате реализации способа получают сорбент для очистки воды, обладающий насыпной плотностью гранул, 0,44 -0,45 г/см 3, механической устойчивостью 99,0-100, водостойкостью 99,0100 и повышенной степенью сорбции и коэффициентом распределения по отношению к тяжелым металлам, которые отражены в таблице 1. 3 При этом,заявляемый способ является энергосберегающим, относительно известного, за счет режима ультразвукового воздействия на водную суспензию акриловой кислоты в присутствии хлористого натрия частота излучения от 20 до 40 кГц и мощность от 60 до 80 Вт при температуре 22-30 С в течение 20-40 мин, в отличие от известного способа, в котором обработку пористого кремнийсодержащего носителя водной суспензией сорбционно-активного материала проводят при воздействии ультразвукового излучения мощностью до 200 Вт и частотой до 60 кГц при температуре 70-90 С в течение 2-6 ч. Пример 1 75 кг отходов производства газобетона дробят с отсевом фракции 2-5 мм, которую используют в качестве пористого кремнийсодержащий носителя. Из 20 кг акриловой кислоты и 5 кг хлористого натрия готовят 10-ти процентную водную суспензию, в которую помещают носитель и воздействуют ультразвуком с частотой излучения 20 кГц, мощностью 80 Вт при температуре 22 С в течение 20 минут. Затем, насыщенный полимерами сорбент, подвергают сушке в сушильном шкафу до влажности не более 5. Примеры выполнения 2, 3 таблицы 1 выполняют аналогично примеру 1. Таблица 1 Прототип Отходы газобетона Акриловая кислота Хлористый натрий Параметры обработки Температура обработки, С Время обработки, мин Частота ультразвука, кГц Мощность излучателя, Вт Свойства сорбентов Насыпная плотность, г/куб.см Механическая устойчивость,Водостойкость,Коэффициент распределения, куб.см/г ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ получения сорбента для очистки воды,включающий обработку пористого кремнийсодержащий носителя водной суспензией сорбциоино-активного материала, проводимую в ультразвуковом поле с частотой излучения от 20 до 40 кГц, мощностью от 60 до 80 Вт, отличающийся тем, что воздействие ультразвукового излучения осуществляют в водной суспензии акриловой кислоты в присутствии хлористого натрия при температуре 22-30 С в течение 20-40 мин, а в качестве пористого кремнийсодержащего носителя используют отходы производства газобетона, при следующем соотношении компонентов, масс.отходы производства газобетона 75-80 акриловая кислота 10-20 хлористый натрий 5-10.