Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ МОДИФИЦИРОВАНИЯ СОРБЕНТОВ НА ОСНОВЕ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ

Изобретение относится к способам модифицирования природных целлюлозосодержащих сорбентов, предназначенных для извлечения ионов тяжелых металлов сорбцией из растворов различного состава, образующихся в результате проведения разнообразных технологических процессов, и может быть использовано для совершенствования мембранных и сорбционных технологий, в водоподготовке, при разработке технологий утилизации ионов тяжелых металлов из водных растворов и сточных вод различной природы.

Известен способ модифицирования сорбентов для извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов путем контактирования их с полимерными сорбентами, содержащими целлюлозную компоненту и аминокислотные остатки при модуле раствор/сорбент, равном 50-200. В качестве сорбента используют шроты или жмыхи, предварительно обработанные в водных растворах ферментов при модуле раствор/сорбент 5-50 и концентрации ферментов 1-10% от массы сорбента в течение 1-3 ч при температуре 25-40°C, а контактирование обработанного сорбента осуществляют в течение 5-20 мин при комнатной температуре. В результате применения таких сорбентов степень извлечения ионов Cu(II), Zn(II) и Cd(II) для различных индивидуальных и смешанных образцов шротов и жмыхов составляла от 78,3 до 99,9% [Пат. 2258560 Российская Федерация, МПК В01J 20/24. Способ извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов / Никифорова Т.Е., Багровская Н.А., Лилин С.А., Козлов В.А.; заявитель и патентообладатель Иван. гос. хим-тех. ун-т, ИХР РАН. - №2004102130/15; заявл. 26.01.04; опубл. 20.08.05, Бюл. №23. - 5 с.

Однако этот способ предполагает использование для предварительной обработки сорбентов дорогостоящих и дефицитных реагентов - ферментов и ферментных препаратов (100 мг липазы, полученной из Pseudomonada Cepacia, стоят 61,21 евро [Sigma. 2002-2003]); если липаза выпускается отечественной промышленностью, то ферментный препарат B₁ mix представляет собой опытный образец, разработанный путем генной инженерии на кафедре энзимологии МГУ.

Известен способ модифицирования сорбентов для извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов путем контактирования их при комнатной температуре в течение 1-20 мин с полимерными сорбентами на основе целлюлозы, модифицированными при микроволновом облучении мощностью 300 Вт с частотой 2,45 ГГц при модуле раствор/сорбент, равном 50-200. При этом модифицирование сорбентов осуществляют путем их предварительного погружения в водный раствор капролактама или кубового остатка дистилляции капролактама с концентрацией 2-20 г/л при модуле 15-50 с последующим отжимом и микроволновым облучением в течение 1-5 мин при температуре 150-200°C, а контактирование модифицированных сорбентов с водными растворами проводят при pH раствора 3-7 [Пат. 2495830 Российская Федерация, МПК С02F 1/62, В01J 20/24. Способ извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов / Никифорова Т.Е., Козлов В.А., Ефимов Н.А.; заявитель и патентообладатель Иван. гос. хим-тех. ун-т. - №2012117931/05; заявл. 28.04.12; опубл. 20.10.13, Бюл. №29. - 7 с.].

Однако этот способ предполагает проведение процесса модифицирования сорбентов при сравнительно высоких температурах (150-200°C).

Известен способ модифицирования сорбентов для извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов путем контактирования их при комнатной температуре с модифицированными полимерными сорбентами на основе целлюлозы при модуле раствор/сорбент, равном 50-200, в котором модифицирование сорбентов осуществляют путем их взаимодействия с окислителем при микроволновом облучении мощностью 300 Вт с частотой 2,45 ГГц и температуре 25-70°C в течение 5-15 мин с последующей промывкой водой и обработкой бисульфитом натрия, при этом контактирование модифицированного сорбента проводят в течение 1-20 мин.

Взаимодействие сорбентов с окислителем осуществляют в растворе с концентрацией 0,1-0,3 М при pH 2,5-4,5, а обработку бисульфитом натрия осуществляют в растворе с концентрацией 0,5-5% при pH 2-4,5 в течение 0,5-1 ч при комнатной температуре. При этом в качестве окислителя используют метаперйодат натрия, йодную кислоту или гипохлорит натрия, а в качестве полимерных сорбентов используют хлопковую или древесную целлюлозу, короткое льняное волокно или древесные опилки [Пат. 2438995 Российская Федерация, МПК⁷ C02F 1/62, 1/28, 101/20, B01J 20/24. Способ извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов / Никифорова Т.Е., Козлов В.А., Титаренко Н.А., Зимин Д.М.; заявитель и патентообладатель Иван. гос. хим-тех. ун-т. - №201024986/05; заявл. 17.06.10; опубл. 10.01.12, Бюл. №1].

Однако модифицированные таким способом сорбенты обладают недостаточно высокой способностью извлекать ионы тяжелых металлов из водных растворов с pH<5.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату, то есть прототипом, является способ модифицирования сорбентов на основе целлюлозы, предназначенных для извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов, путем обработки их модифицирующими агентами, в котором модифицирование осуществляют путем их последовательной обработки растворами окислителя, гидрохлорида гидроксиламина, перекиси водорода и гидроксида натрия с промывкой водой после каждой стадии, причем взаимодействие сорбентов с окислителем осуществляют при микроволновом облучении мощностью 300 Вт с частотой 2,45 ГГц и температуре 25-55°C в течение 5-15 мин в растворе с концентрацией 0,1-0,3 М при pH 2,5-4,5, и модуле раствор/сорбент 15-50; обработку гидрохлоридом гидроксиламина проводят его 0,3-1 М водным раствором при pH 3-5, модуле раствор/сорбент 15-50, в течение 40-60 мин при комнатной температуре; окисление перекисью водорода осуществляют ее 30%-ным раствором при pH 5-7 в течение 30-60 мин при комнатной температуре, модуле раствор/сорбент 15-50, а обработку раствором гидроксида натрия выполняют при pH 8-9 в течение 5 мин при комнатной температуре, при этом контактирование модифицированного сорбента проводят в течение 1-20 мин, а в качестве окислителя используют метаперйодат натрия, йодную кислоту или гипохлорит натрия, а в качестве сорбентов используют хлопковую или древесную целлюлозу, короткое льняное волокно или древесные опилки [Пат. 2471721 Российская Федерация, МПК C02F 1/62, 1/28, 101/20, B01J 20/24. Способ модифицирования сорбентов на основе целлюлозы / Никифорова Т.Е., Козлов В.А.; заявитель и патентообладатель Иван. гос. хим-тех. ун-т. - №2011127574/05; заявл. 05.07.11; опубл. 10.01.13, Бюл. №1].

Недостатками прототипа являются:

- недостаточно высокая степень извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов (с концентрацией ионов металлов 1,5 ммоль/л);

- большое число операций на второй стадии обработки (модифицирования) сорбентов (3).

Техническим результатом изобретения является повышение степени извлечения ионов тяжелых металлов и уменьшение числа операций на второй стадии обработки (модифицирования) сорбентов.

Указанный результат достигается тем, что в способе модифицирования сорбентов на основе целлюлозы для извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов, заключающемся в двухстадийной обработке модифицирующими агентами с последующей промывкой водой после каждой стадии, высушивании и контактировании модифицированного сорбента в течение 1-20 мин при модуле раствор/сорбент, равном 50-200, при этом на первой стадии проводят обработку сорбентов раствором окислителя с концентрацией 0,1-0,3 М при pH 2,5-4,5 и модуле раствор/сорбент 15-50 при микроволновом облучении мощностью 300 Вт с частотой 2,45 ГГц и температуре 25-55°C в течение 5-15 мин, а в качестве окислителя используют метаперйодат натрия, йодную кислоту или гипохлорит натрия, а в качестве полимерных сорбентов используют хлопковую или древесную целлюлозу, короткое льняное волокно или древесные опилки, согласно изобретению на второй стадии проводят обработку сорбентов раствором сульфаниловой кислоты с концентрацией 3-10% при pH 8-10 и модуле раствор/сорбент 15-50 при комнатной температуре в течение 30-60 мин, а в качестве сорбента также используют стебли топинамбура.

Для осуществления заявляемого изобретения используют следующие реагенты:

- йодная кислота - HIO₄ [ТУ 6-09-02-87-74];

- метаперйодат натрия - NaIO₄ [ТУ 6-09-02-54-74];

- гипохлорит натрия - NaOCl [ГОСТ 11086-76. Гипохлорит натрия. Технические условия];

- натрия гидроксид NaOH [ГОСТ 2263-79. Натр едкий технический. Технические условия]

- сульфаниловая кислота - C₆H₇NO₃S [ГОСТ 5821-78. Технические условия].

В качестве сорбентов использовали:

- короткое льняное волокно, представляющее собой вторичный продукт переработки льняной промышленности следующего состава, %: целлюлоза (75…78), гемицеллюлоза (9,4…11,9), лигнин (3,8), пектиновые вещества (2,9…3,2), воскообразные вещества (2,7), азотсодержащие вещества в расчете на белки (1,9…2,1), минеральные вещества (1,3…2,8) [Кричевский Г.Е., Корчагин М.В., Сенахов А.В. Химическая технология текстильных материалов. М., 1985. 640 с.];

- древесные опилки - отход деревообрабатывающей промышленности (состав, % от абсолютно сухой древесины: целлюлоза - 31,0-52,5; лигнин - 19,5-30,9; пентозаны - 5,3-28,3; маннан - 1,3-11,3; галактан - 0,7-14,4; уроновые кислоты - 2,9-8,6; вещества, экстрагируемые горячей водой - 1,4-22,6; вещества, экстрагируемые этиловым эфиром - 0,7-4,6; зола - 0,2-1,0) [Никитин В.М., Оболенская А.В. Щеголев В.П. Химия древесины и целлюлозы. М.: Лесная промышленность, 1978. - 368 с.];

- хлопковая целлюлоза [ГОСТ 595-79 «Целлюлоза хлопковая. Технические условия];

- древесная целлюлоза [ГОСТ 11208-82. Целлюлоза древесная (хвойная) сульфатная небеленая. Технические условия].

- стебли топинамбура представляют собой отход сельскохозяйственного производства следующего состава (в пересчете на сухое вещество): 55,8% углеводов (целлюлоза, гемицеллюлозы, инулин, пектиновые вещества), 10% белков, 18,1% безазотистых экстрактивных веществ 14,3% минеральных веществ и 1,8% жиров [Рязанова Т.В. Химический состав вегетативной части топинамбура и ее использование / Т.В. Рязанова, Н.А. Чупрова, Л.А. Дорофеева, А.В. Богданов // Лесной журнал. - 1997. - №4. - С. 71-75.] / Стебли топинамбура очищают от внешнего слоя и измельчают.

Изобретение осуществляют следующим образом.

Пример 1.

10 г древесных опилок заливают 200 мл 0,3 М водного раствора йодной кислоты (модуль 20) при pH 3,5 и подвергают микроволновому облучению мощностью 300 Вт при частоте 2,45 ГГц и температуре 30°C в течение 10 мин, затем массу промывают дистиллированной водой для удаления непрореагировавших реагентов и побочных продуктов, на второй стадии заливают 150 мл 5% раствора сульфаниловой кислоты (модуль 15), который доводят раствором NaOH до pH 9 и обрабатывают при комнатной температуре в течение 60 мин, после чего вновь промывают дистиллированной водой для удаления избытка сульфаниловой кислоты и высушивают.

Обработанный сорбент заливают 0,5 л водного раствора при комнатной температуре (модуль 50), содержащего 1,5 ммоль/л ионов меди. Через 15 мин раствор отфильтровывают и в фильтрате определяют содержание ионов Cu(II). Концентрация ионов меди в растворе после контактирования с сорбентом составила 0,3045 ммоль/л (степень извлечения 79,7%).

Пример 2.

10 г хлопковой целлюлозы заливают 400 мл 0,2М водного раствора метаперйодата натрия (модуль 40) при pH 2,5 и подвергают микроволновому облучению мощностью 300 Вт при частоте 2,45 ГГц и температуре 25°C в течение 15 мин, затем массу промывают дистиллированной водой для удаления непрореагировавших реагентов и побочных продуктов, заливают 500 мл 3% раствора сульфаниловой кислоты (модуль 50), который доводят раствором NaOH до pH 8,5 и обрабатывают при комнатной температуре в течение 40 мин, после чего вновь промывают дистиллированной водой для удаления избытка сульфаниловой кислоты и высушивают.

Обработанный сорбент заливают 1,5 л водного раствора при комнатной температуре (модуль 150), содержащего 1,5 ммоль/л ионов никеля. Через 1 мин раствор отфильтровывают и в фильтрате определяют содержание ионов Ni(II). Концентрация ионов никеля в растворе после контактирования с сорбентом составила 0,3465 ммоль/л (степень извлечения 76,9%).

Пример 3.

10 г короткого льняного волокна заливают 150 мл 0,1М водного раствора метаперйодата натрия (модуль 15) при pH 4,5 и подвергают микроволновому облучению мощностью 300 Вт при частоте 2,45 ГГц и температуре 55°C в течение 5 мин, затем массу промывают дистиллированной водой для удаления непрореагировавших реагентов и побочных продуктов, заливают 300 мл 7% раствора сульфаниловой кислоты (модуль 30), который доводят раствором NaOH до pH 10 и обрабатывают при комнатной температуре в течение 50 мин, после чего вновь промывают дистиллированной водой для удаления избытка сульфаниловой кислоты и высушивают.

Обработанный сорбент заливают 2 л водного раствора при комнатной температуре (модуль 200), содержащего 1,5 ммоль/л ионов цинка. Через 10 мин раствор отфильтровывают и в фильтрате определяют содержание ионов Zn(II). Концентрация ионов цинка в растворе после контактирования с сорбентом составила 0,354 ммоль/л (степень извлечения 76,4%).

Пример 4.

10 г древесной целлюлозы заливают 250 мл 0,15М водного раствора гипохлорита натрия (модуль 25) при pH 4,5 и подвергают микроволновому облучению мощностью 300 Вт при частоте 2,45 ГГц и температуре 35°C в течение 5 мин, затем массу промывают дистиллированной водой для удаления непрореагировавших реагентов и побочных продуктов, заливают 200 мл 10% раствора сульфаниловой кислоты (модуль 20), который доводят раствором NaOH до pH 8 и обрабатывают при комнатной температуре в течение 35 мин, после чего вновь промывают дистиллированной водой для удаления избытка сульфаниловой кислоты и высушивают.

Обработанный сорбент заливают 1 л водного раствора при комнатной температуре (модуль 100), содержащего 1,5 ммоль/л ионов кадмия. Через 20 мин раствор отфильтровывают и в фильтрате определяют содержание ионов Cd(II). Концентрация ионов кадмия в растворе после контактирования с сорбентом составила 0,3525 ммоль/л (степень извлечения ионов Cd(II) 76,5%).

Пример 5.

10 г измельченных стеблей топинамбура заливают 500 мл 0,25 М водного раствора метаперйодата натрия (модуль 50) при pH 3,5 и подвергают микроволновому облучению мощностью 300 Вт при частоте 2,45 ГГц и температуре 45°C в течение 10 мин, затем массу промывают дистиллированной водой для удаления непрореагировавших реагентов и побочных продуктов, заливают 400 мл 8% раствора сульфаниловой кислоты (модуль 40), который доводят раствором NaOH до pH 9,5 и обрабатывают при комнатной температуре в течение 30 мин, после чего вновь промывают дистиллированной водой для удаления избытка сульфаниловой кислоты и высушивают.

Обработанный сорбент заливают 0,5 л водного раствора при комнатной температуре (модуль 50), содержащего 1,5 ммоль/л ионов меди, никеля, цинка и кадмия в соотношении 1:1:1:1. Через 20 мин раствор отфильтровывают и в фильтрате определяют содержание ионов металлов. Концентрация ионов Cu(II), Ni(II), Zn(II) и Cd(II) в растворе после контактирования с сорбентом составила 0,342; 0,3735; 0,378 и 0,357 ммоль/л соответственно (степень извлечения 77,2; 75,1; 74,8 и 76,2%).

Результаты исследований по извлечению ионов тяжелых металлов из растворов, в которых концентрация ионов тяжелых металлов составляет 1,5 ммоль/л, по прототипу и по заявляемому изобретению представлены в таблице.

Таким образом, из приведенных в таблице данных следует, что предлагаемый способ позволяет решить поставленную задачу, а именно повысить степень извлечения ионов тяжелых металлов из растворов (с концентрацией ионов металлов 1,5 ммоль/л) на 2-5% и сократить число операций на второй стадии процесса обработки сорбентов с трех до одной.