Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения импрегнированного сорбента

Изобретение относится к области производства сорбционно-активных материалов, которые могут быть использованы в процессах гидрометаллургии, а также для решения задач очистки сточных вод от тяжелых металлов.

Известен способ получения углеродно-минерального сорбента, включающий смешение цеолита, активного угля, бинтонитовой глины и диоксида марганца до образования однородной пасты, ее грануляцию и термообработку при 600-750°C с последующей пропиткой термообработанных гранул водной суспензией фенолформальдегидной смолы марки СФ 432-А, вылеживание гранул с последующим прокаливанием при температуре 750°C в потоке диоксида углерода в течение 60 мин (см. пат. РФ №2122893, кл. B01J 20/16, 18, 20, B01J 23/32, опубл. 10.12.1998 г.).

Недостатком известного способа является сложность осуществления технологического процесса и значительный объем в составе сорбента различных ингредиентов.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и количеству совпадающих признаков является способ получения импрегнированного сорбента-катализатора, включающий приготовление пропиточного раствора, пропитку зерен основы - активного угля с суммарным объемом пор 0,9-1,2 см³/г, каталитическими добавками меди, хрома, серебра и ТЭДА, вылеживание и термообработку при температуре 80-110°C со скоростью подъема температуры 1-3°C в минуту (см. пат. РФ №2195365, кл. 13 01J 20/20, C01B 31/08).

Недостатком известного способа является низкая сорбционная активность получаемого сорбента по извлечению из сложного раствора редкоземельного элемента лантана.

Техническим результатом (целью изобретения) является повышение сорбционной активности сорбента по извлечению редкоземельного элемента лантана из растворов.

Поставленная цель достигается предлагаемым способом, включающим приготовление пропиточного раствора, импрегнирующей добавки, пропитку основы, вылеживание и термообработку, отличающимся тем, что в качестве основы используют ионно-обменную смолу с суммарным объемом пор 0,80-0,87 см³/г, а в качестве импрегнирующей добавки используют тонкоизмельченный активный уголь с размером микропор, имеющих полуширину 0,56-0,60 нм, а термообработку осуществляют при температуре 70-78°C.

Отличие предложенного способа от прототипа заключается в том, что в качестве основы используют ионно-обменную смолу с суммарным объемом пор 0,80-0,87 см³/г, а в качестве импрегнирующей добавки используют тонкоизмельченный активный уголь с размером микропор, имеющих полуширину 0,56-0,60 нм, а термообработку осуществляют при температуре 70-78°C.

Из научно-технической патентной литературы авторам неизвестен способ получения импрегнированного сорбента, где в качестве основы используют ионно-обменную смолу с суммарным объемом пор 0,80-0,87 см³/г, а в качестве импрегнирующей добавки используют тонкоизмельченный активный уголь с размером микропор, имеющих полуширину 0,56-0,60 нм, а термообработку осуществляют при температуре 70-78°C.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Ионно-обменные смолы имеют в своем составе функциональные группы, которые селективно извлекают из сложного раствора те или иные ионы металлов за счет обратимого химического взаимодействия. Однако, если извлекаемый металл, в нашем случае лантан, входит в состав органо-минерального комплекса, который безусловно присутствует в растворах подземного выщелачивания урана, то они функциональными группами ионно-обменной смолы не сорбируются. С другой стороны, такие комплексы эффективно сорбируются в микропористой структуре активного угля.

Поэтому получение сорбента, совмещающего ионно-обменную способность к лантану с его адсорбционным извлечением микропорами активного угля, позволяет суммарно существенно повысить сорбционную активность комбинированного сорбента по извлечению лантана из сложных растворов. При этом технологические параметры процесса и оптимизации пористой структуры активного угля могут быть только экспериментально. Способ осуществляется следующим образом.

Берут активный уголь БАУ-А (ГОСТ 6217-74) с размером микропор, имеющих полуширину 0,56-0,60 нм, и обладающий объемом микропор 0,21-0,24 см³/г и осуществляют его размол на мельнице «RESHT» до размеров частиц 3-5 мкм. Затем готовят пропиточный раствор, добавляя в дистиллированную воду тонкоразмолотый активный уголь (АУ) при постоянном перемешивании, обеспечивая весовое соотношение твердое: жидкое, равное 1:4. Затем берут ионообменную смолу (ИС) марки АМ-2Б (ОСТ 95.291-86) с размером гранул 0,63-1,60 мм, имеющую суммарный объем пор (V_Σ), равный 0,80-0,87 см³/г, причем на долю макропор с размером более 2000 нм приходится 0,45-0,52 см³/г, и дозируют ее в пропиточный раствор при постоянном перемешивании, которое проводят в течение 20-40 мин с помощью механической мешалки. Импрегнированные таким образом гранулы выкладывают на противень и вылеживают в течение 1-2 часов, после чего подвергают обработке при 70-78°С, добиваясь полного испарения воды. Полученный импрегнированный сорбент тестируют на сорбционную активность по извлечению лантана из водного раствора. Сорбционную активность определяют по изменению концентрации лантана в растворе после 30 мин контакта при перемешивании: от исходной C₀=20 мг/л до остаточной после 30 мин контакта. Полученный по предлагаемому способу импрегнированный сорбент имел сорбционную активность по лантану 120-140 мг/г.

Пример 1. Берут 100 г активного угля БАУ-А с размером микропор, имеющих полуширину 0,56 нм, и обладающего объемом микропор 0,21-0,24 см³/г и осуществляют его размол на мельнице «RESHT» до размеров частиц 3-5 мкм (3-5⋅10^-6 м). Затем заливают в колбу 400 мл дистиллированной воды и добавляют туда при постоянном перемешивании 100 г тонкоразмолотого АУ, обеспечивая весовое соотношение твердое: жидкое, равное 1:4. Затем берут 700 г ионообменной смолы АМ-2Б, имеющей суммарный объем пор 0,80 см³/г, и дозируют ее в пропиточный раствор при постоянном перемешивании, которое проводят в течение 20-40 мин с помощью механической мешалки. Импрегнированные гранулы выкладывают на противень из нержавеющей стали и вылеживают в течение 1-2 часов, после чего подвергают термообработке в сушильном шкафу при 70°C до полного испарения воды, обеспечивая закрепление тонкоразмолотого АУ в макропорах ионообменной смолы. Полученный импрегнированный сорбент имел сорбционную активность по лантану 120 мг/г.

Пример 2. Осуществление процесса как в примере 1 за исключением того, что берут уголь БАУ-А с размером микропор, имеющих полуширину 0,60 нм, используют для пропитки смолу АМ-2Б с суммарным объемом пор 0,87 см³/г и термообработку проводят при температуре 78°C. Полученный импрегнированный сорбент имел сорбционную активность по лантану 132 мг/г.

Пример 3. Осуществление процесса как в примере 1 за исключением того, что берут активный уголь БАУ-А с размером микропор, имеющих полуширину 0,58 нм, используют для пропитки смолу АМ-2Б с суммарным объемом пор 0,85 см³/г и термообработку проводят при температуре 75°C. Полученный импрегнированный сорбент имел сорбционную активность по лантану 140 мг/г.

В аналогичных условиях испытания импрегнированный сорбент, полученный по известному способу (пат. РФ №2195365), имел сорбционную активность по лантану при извлечении его из водного раствора 56-70 мг/г.

Исследования, выполненные при разработке предлагаемого способа, позволили установить следующее. Если суммарный объем пор у ионообменной смолы ниже 0,80 см³/г, то значительная часть импрегнанта - тонкоразмолотого АУ осаждается на поверхности гранул смолы и экранирует ионообменные группы, а если V_Σ у ионообменной смолы выше 0,87 см³/г, то ее прочность снижается и она измельчается в процессе перемешивания, что в обоих случаях снижает сорбционную активность импрегнированного сорбента.

В случае если микропоры АУ имеют размер с полушириной менее 0,56 нм, то они становятся недоступными для ионов лантана, а с другой стороны, если их размер имеет полуширину более 0,60 нм, то снижается адсорбционный потенциал микропор и в обоих случаях падает сорбционная активность импрегнированного сорбента.

Относительно температуры термообработки установлено, что если она ниже 70°C, то значительно увеличивается время термообработки, а также имеет место слабое закрепление импрегнанта - тонкоразмолотого АУ на поверхность макропор смолы, а если температура термообработки выше 78°C, происходит оплавление ионообменной смолы и также в обоих случаях снижается сорбционная активность импрегнированного сорбента.

Из изложенного следует, что каждый из признаков заявленной совокупности в большей или меньшей степени влияет на достижение заявленной цели, а вся совокупность является достаточной для характеристики заявленного технического решения.