Результат интеллектуальной деятельности: СОСТАВ ДЛЯ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ АГРЕССИВНЫХ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Изобретение относится к области обезвреживания агрессивных химических соединений, в частности насыщенных ангидридами кислородосодержащих соединений и отходов. Изобретение представляет собой состав для обезвреживания находящихся на хранении запасов дымовой смеси C-4, представляющей собой предельно насыщенный раствор серного ангидрида в хлорсульфоновой кислоте с примесью серной кислоты и являющейся высоко агрессивной жидкостью.

Обезвреживание и уничтожение агрессивных химических соединений и отходов представляет собой актуальную и сложную задачу, требующую разработки уникальных технологий и многоуровневых систем безопасности.

Известен способ утилизации агрессивных химических соединений, включающий нейтрализацию химических соединений путем проведения водного гидролиза для деструкции последних (пат. RU 2203116 С2, A62D 3/00, 18.09.1998).

Однако этот способ неприемлем для обезвреживания и утилизации дымовой смеси C-4, так как водный гидролиз этого состава характеризуется ярко выраженным экзотермическим эффектом и взрывоопасностью.

Наиболее близким предлагаемому изобретению является состав, приведенный в патенте на способ обезвреживания и утилизации агрессивных химических соединений, включающий смешение дымовой смеси C-4 с алюмосиликатами в виде пасты, приготовленной на основе природных глин из ряда: гидрослюдистая кембрийская, монтмориллонитовая, каолинитовая глины, или на основе их смесей, обеспечивающей перевод воды в связанное состояние (пат. №2279305 RU, МПК B01D 53/60, B01D 53/50, B01D 53/56, от 17.03.2004).

К недостаткам состава, используемого вышеизложенным способом, можно отнести:

- сложный и длительный процесс подготовки паст из природных глин;

- необходимость использования природных глин определенного вида;

- протекание экзотермических физико-химических процессов и гидролитических реакций исключает использование типового технологического оборудования.

Целью предлагаемого изобретения является создание дешевого и эффективного состава для обезвреживания дымовой смеси C-4 из доступного природного материала.

Сущность изобретения состоит в применении опоки серой, содержащей гейлендит и метастильбит, тридимит, кальцит и α-кварц, модифицированной водными щелочными агентами в виде натрия или калия гидроксида и четвертичными аммониевыми соединениями в качестве состава для обезвреживания агрессивных химических соединений, включающих дымовую смесь C-4.

Технический результат от использования предлагаемого изобретения заключается в адсорбции и деструкции указанных агрессивных химических соединений в процессе гидролиза в присутствии связанной воды, в упрощении процесса обезвреживания и снижении уровня опасности, себестоимости и трудоемкости.

Указанный технический результат достигается применением состава для обезвреживания агрессивных химических соединений на основе природных минералов, используемого для обезвреживания дымовой смеси C-4, представляющей собой раствор серного ангидрида в хлорсульфоновой кислоте с примесью серной кислоты. Состав представляет собой опоку серую, содержащую гейландит, метастильбит, тридимит, кальцит и α-кварц, которая модифицирована 18%-ным водным раствором гидроксида натрия или гидроксида калия в присутствии четвертичного аммониевого соединения, при этом модификация опоки осуществлена при следующем соотношении компонентов (вес. %):

Заявителем не выявлены источники информации, содержащие сведения о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».

Природный сорбент, опока серая - разновидность алюмосиликатных каркасных материалов. Эти материалы имеют отрицательный трехмерный алюмосиликатный каркас со строго регулярной тетраэдрической структурой. В промежутках каркаса находятся гидратированные положительные ионы щелочных и щелочноземельных металлов, компенсирующих заряд каркаса и молекулы воды. Опока состоит из мелкозернистого аморфного кремнезема с примесью глины, песка, глуконита и др. Объем их пор достигает 0,6·10³ м³/кг, удельная поверхность равна (100-150)·10³ м²/кг. Фазовый состав представляет собой следующий набор:

- CaAl₂Si₇O₁₈·6H₂O - гейландит;

- CaAl₂Si₇O₁₈·2H₂O - метастильбит;

- CaCO₃ - кальцит;

- SiO₂ - тридимит;

- SiO₂ - α-кварц (Кузнецов В.Г. Литология. Осадочные горные породы и их изучение. - М.: Недра-бизнесцентр, 2007. - 517 с. Алыкова Т.В. и др. / Экология и промышленность России. - 2004. - №4. - С. 38-40. Ферезанова М.В. Моделирование миграции алкилфторметилфосфонатов в гидросфере [Текст]: монография / Б.В. Серебренников, Л.Ф. Щербакова / Избранные труды Российской школы по проблеме науки и технологии. - М.: РАН, 2010. - С. 79-82).

Содержащийся в дымовой смеси C-4 серный ангидрид (SO₃) при взаимодействии с коллоидно-дисперсным алюмосиликатом опоки серой, будучи более гидрофильным соединением, поглощает слабосвязанную воду и образует концентрированную серную кислоту (H₂SO₄), а хлорсульфоновая кислота (HClSO₃), взаимодействуя с водой, образует соляную (HCl) и серную (H₂SO₄) кислоты. Образующиеся кислоты, взаимодействуя с алюмосиликатами опоки серой, осуществляют их кислотный гидролиз, вследствие чего из кристаллических решеток алюмосиликатов экстрагируются внесенные в результате модификации щелочные, а также входящие в состав опоки щелочноземельные металлы и амфотерный алюминий. Они, при взаимодействии с серной кислотой, образуют соответствующие сульфаты, и в систему поступает дополнительное количество воды, способствующее дальнейшему процессу гидролиза взаимодействующих компонентов. Таким образом, образующаяся серная кислота расходуется на последующий кислотный гидролиз алюмосиликата опоки серой и на образование соответствующих солевых соединений (оксосоединений). Кроме того, осуществляется совмещение противоположных процессов - эндотермического и экзотермического: гидролиз алюмосиликатов опоки серой, испарение влаги адсорбированной и связанной в кристаллогидрате и реакция гидролиза хлорсульфоновой кислоты, образование соляной и серной кислот.

Процесс кислотного гидролиза алюмосиликатов опоки серой под воздействием хлорсульфоновой кислоты (HClSO₃) протекает аналогично, так как образуются серная (H₂SO₄) и соляная (HCl) кислоты. При этом получаются хлориды и сульфаты элементов экстрагированных из кристаллической решетки алюмосиликатов опоки серой (Некрасов Б.В. Основы общей химии. - Изд. перераб. и доп. - М.: Химия, 1973. - Т. 1. - С. 315. Кнунянц И.Л. Химический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1983. - С. 663).

Введение в опоку добавок щелочных агентов приводит к упорядочению кристаллической решетки и увеличению внутрипорового пространства и тем самым способствует увеличению выхода коллоидно-дисперсных фаз и увеличивает подвижность гидролизованной смеси, что улучшает последующее взаимодействие реагентов и способствует ускорению разделения и преобразования компонентов агрессивного химического соединения. Введение в опоку четвертичных аммониевых соединений (триалкилариламмоний хлоридов, четвертичных алкиламмонний хлоридов) ускоряет гетерогенные процессы взаимодействия щелочных растворов с активными элементами опоки серой и способствует протеканию химических процессов, приводящих к увеличению адсорбционной емкости и анионной обменной характеристики алюмосиликатов в опоке серой (Тарасеевич Ю.И. Природные сорбенты в процессах очистки воды. - Киев: Наукова Думка, 1981. - 207 с. Кузнецов В.Г. Литология. Осадочные горные породы и их изучение. - М.: Недра-бизнесцентр, 2007. - 517 с. Ферезанова М.В., Серебренников Б.В., Щербакова Л.Ф. Моделирование миграции алкилфторметилфосфонатов в гидросфере. Избранные труды Российской школы по проблемам науки и технологий. - М.: РАН, 2010. - С. 79-91).

Полученный конечный продукт кислотного гидролиза коллоидно-дисперсных алюмосиликатов опоки серой содержит сульфаты, гидросульфаты и хлориды (кальция, алюминия, натрия, железа) и непрореагировавшую часть опоки. Конечный щелочной продукт может быть использован для очистки загрязненных кислых сточных вод, а также в качестве щелочного сорбента.

Указанные обстоятельства свидетельствуют о соответствии заявленного технического решения критерию «изобретательский уровень».

Возможность реализации предлагаемого изобретения подтверждается проведенными экспериментами и поясняется следующими примерами.

Пример 1. В химический стакан емкостью 1000 мл, снабженный распределительной решеткой и стеклянной трубкой для подачи агрессивных веществ и составов, на дно загружали 120 г опоки серой (фракции не менее 100 мм). На распределительную решетку засыпали смесь опоки (фракции от 5 до 8 мм), смешанной с активированным углем марки БАУ. Количество опоки составляло 100 г, а активированного угля - 30 г. Из капельной воронки через стеклянную трубку подавали 50 г хлорсульфоновой кислоты. Процесс выделения образующейся соляной кислоты продолжался в течение всего времени подачи хлорсульфоновой кислоты. Для полного уничтожения адсорбированной кислоты требовалась подача воды 5 мл. Полученные реакционные массы не обладали дымообразующими свойствами и характеризовались низким уровнем показателя кислотности - pH от одного до двух.

Пример 2. В химический стакан емкостью 1000 мл, снабженный распределительной решеткой и стеклянной трубкой для подачи агрессивных веществ и составов, на дно загружали 120 г опоки серой (фракции не менее 100 мм), просушенной при температуре до 250°C. На распределительную решетку засыпали смесь опоки (фракции от 5 до 8 мм), смешанной с активированным углем марки БАУ. Количество опоки составляло 100 г, а активированного угля - 30 г. Из капельной воронки через стеклянную трубку подавали 50 г хлорсульфоновой кислоты. В процессе подачи хлорсульфоновой кислоты выделение соляной кислоты не наблюдалось.

Пример 3. В химический стакан емкостью 1000 мл, снабженный распределительной решеткой и стеклянной трубкой для подачи агрессивных веществ и составов, на дно загружали 120 г опоки серой (фракции не менее 100 мм), модифицированной водным раствором натрия гидроксида концентрацией 18% и четвертичным аммониевым соединением (триэтилбензиламмоний хлорид) 0,5%. Модификацию опоки серой в количестве 75 г осуществляли распылением 45 г водного раствора натрия гидроксида и триэтилбензиламмоний хлорида (количество добавляемого триэтилбензиламмоний хлорида - 0,6 г) при температуре окружающей среды от 20°C до 30°C. В результате взаимодействия модифицированной опоки с хлорсульфоновой кислотой получали твердую массу, не растворимую в воде, с показателем pH от 7 до 12, не обладающую дымообразующими свойствами.

Пример 4. В химический стакан емкостью 1000 мл, снабженный распределительной решеткой и стеклянной трубкой для подачи агрессивных веществ и составов, на дно загружали 120 г опоки серой (фракции не менее 100 мм), модифицированной водным раствором натрия гидроксида концентрацией 18% и четвертичным аммониевым соединением (Катамин Б) 0,5%. Модификацию опоки серой проводили аналогично примеру 3. В результате взаимодействия модифицированной опоки с дымовой смесью C-4 получали твердую массу, не растворимую в воде, с показателем pH от 7 до 12, не обладающую дымообразующими свойствами.

Для реализации состава использовался доступный природный материал, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного изобретения критерию «промышленная применимость».

Результаты экспериментов деструкции дымовой смеси C-4 и хлорсульфоновой кислоты представлены в таблицах 1 и 2.

Таким образом, оптимальным является предлагаемый состав, созданный из доступного природного материала, позволяющий снизить затраты, повысить безопасность и эффективность обезвреживания агрессивных химических соединений, включающих дымовую смесь C-4.