Способ получения сорбента на минеральной основе

Изобретение относится к технологии сорбентов, конкретно, к способам получения сорбентов, которые могут применяться для очистки воды, водных растворов от тяжелых металлов.

Сорбционная очистка и доочистка водных растворов являются одним из эффективных способов удаления минеральных и органических загрязнений из водных растворов, природных вод и сточных вод, что является важной задачей экологической безопасности страны [1]. Для этого используют органические и минеральные сорбенты.

Описан способ получения органического сорбента на основе древесных опилок, которые обрабатывали органическим реагентом - производным тетрагидроиндола, в ацетоне [2]. Сорбционная емкость сорбента в статических условиях составляла 0,7-1,4 мг/г тяжелых металлов. Способ отличается сложной технологией. Известны способы получения синтетических сорбентов на минеральной основе, например, на основе кремнезема.

Они отличаются относительно высокой стоимостью. Известен способ получения сорбентов на основе минерала глауконита, который относится к группе слоистых алюмосиликатов, характеризующихся высоким содержанием катионов железа и алюминия в кристаллической решетке. Сорбционные свойства гранулированного и модифицированного минерала использовали для очистки природных и сточных вод [3]. Способ отличается сложностью обработки сырья, включающий измельчение его, обработку водой, перемешивание, гранулирование, сушку при 100-120°С, измельчение сухого полуфабриката с рассевом на ситах 0,5 и 3 мм.

Сорбцию проводили в статическом режиме.

Время контакта сорбента с раствором ионов тяжелых металлов с концентрацией 1-10 г/л в соотношение 10 г сорбентов на 100 мл растворов составляло 3 часа.

Измеряли равновесные концентрации металлов.

Строились изотермы сорбции. Определяли величины максимальной адсорбции в мг/г. Величина максимальной сорбции для природного и гранулированного глауконита составляла, например, для Fe²⁺ 5,8 и 620 мг/г; Cu²⁺ 6,79 и 7,49 мг/г соответственно, т.е. увеличение от исходного материала по Fe²⁺ на 6,5%, по Cu²⁺ на 10,3%.

Указывается, что сорбционные свойства гранулированного и природного глауконита практически одинаковы.

Нами приведенные данные по сорбционной емкости представляются завышенными, принимая во внимание высокие концентрации катионов металлов в водных растворах (1-10 г/л) в то же время сорбционная емкость по литературным данным по цеолитам не превышала 6 мг/г, а концентрация растворов катионов металлов - не более 100-200 мг/л [1]. Описан способ получения сорбента на минеральной основе (оксидов элементов), включающий увлажнение, измельчение, сушку при температуре 100-105°C природных алюмосиликатных пород, например, цеолитсодержащих пород Татарстана общей формулы М_2/nO⋅Al₂O₃⋅xSiO₂⋅у⋅Н₂О, где: М - щелочной или щелочноземельный металл; n - степень окисления, х и у - числа молекул SiO₂ и Н₂О [4 прототип]. При термообработке вода частично удаляется из микропор, материал приобретает способность сорбировать внутрь структуры различного вещества.

В водном растворе цеолиты обмениваются своими катионами на другие катионы раствора. В качестве минеральных компонентов цеолиты содержат в основном такие минералы как клиноптилолит, морденит, а содержание цеолитов колеблется от 5-40 до 70%.

Состав клиноптилолита (%/мас):

SiO₂ 68,8-81,2; Al₂O₃ 4,2-7,6; Na₂O 0,2-1,4; H₂O 1,5-2,3; СаО 5,0

Используют порошок с размером частиц до 0,25 мм с насыпной массой 0,7-0,8 г/см³.

Статически сорбционная емкость по тяжелым металлам составляет от 0,26 до 2,0 мг/г (по нашим данным).

Недостатки способа - сложность технологии обработки сырья, относительно низкая сорбционная емкость, значительные затраты при переработке и транспортировке сорбента.

Техническая задача - упрощение технологи, повышения эффективности действия сорбента, снижение затрат, расширение ассортимента сорбента.

Указанная цель достигается тем, что в предложенном способе используют доступное сырье - оксид магния (по ГОСТ 4526-75), который выпускается в виде тонкоизмельченного порошка реактивной квалификации по хим составу:

содержание основного вещества не менее 97%;

содержание кальция 0,005%, алюминия 0,01%, железа 0,005%, кремния 0,02% и др.

Оксид магния обрабатывали дистиллированной водой в соотношении 1:1,5 (гидратация), перемешивали, выдерживали 30 минут до получения тестообразной массы в фарфоровой чашке, сушили при температуре 100-105°C в течение 1 часа, далее проводили термообработку при температуре 110-130°C до постоянной массы. Измельчали пестиком в фарфоровой чашке до частиц размером 1-4 мм (90%) остальное - порошок, который гидратировали с новой порцией оксида магния. Сушку и термообработку контролировали по массе продукта. В качестве сорбента использовали оксид магния гидратированный (сухой) с размером частиц 1-4 мм с влажностью 0,8-1,0% с насыпной массой 0,3-0,4 г/см³. Сорбцию проводили путем смешивания 0,5 сорбента - оксида магния с 10 мл водного раствора ионов меди и Цинка при периодическом перемешивании в стеклянной колбе на 50 мл в течение 3-3,5 часов (до прекращения изменения концентрации ионов металла). Далее осадок отделяли фильтрованием на фильтровальной бумаге. Продолжительность фильтрования 3-4 мин. В фильтрате химанализом определяли концентрации металлов. Проводили расчет статической сорбционной емкости и степень извлечения металла (удаления).

При обработке исходного MgO продолжительность фильтрования 15-20 мин, а сорбционная емкость по меди 1,1 мг/г.

Примеры осуществления способа.

Пример 1. Приготовление сорбента.

В фарфоровой чашке смешивали 10 г оксида магния реактивной квалификации с 15 г дистиллированной воды (соотношение 1:1,5). Перемешивали 30 минут, выдерживали, ставили в сушильный шкаф и сушили при температуре 100-105°C в течение 1 часа, затем повышали температуру до 110-130°C и выдерживали 1,5 часа, затем чашку охлаждали в эксикаторе и взвешивали. Получено 11,0 г белой массы. Измельчали ее до частиц размером 1-4 мм. Осадок (0,1 г) после рассева в виде порошка использовали при необходимости в следующей операции.

Пример 2.

В коническую колбу вместимостью 50 мл загружали 0,5 г полученного оксида - магния с размером частиц 1-4 мм и добавляли 10 мл приготовленного раствора меди (Cu²⁺) с концентрацией 100 мг/л в виде сульфата, перемешивали встряхиванием (экстрагировали), выдерживали при комнатной температуре (22-24°C) 3 часа. Отделяли осадок фильтрованием в течение 3 мин. на бумажном фильтре и в растворе химанализом определили концентрацию меди 35,8 мг/л, рассчитали статическую сорбционную емкость 1,28 мг/г.

Степень извлечение (удаления) 75%.

Пример 3.

Как в примере 2 в фарфоровую чашку загружали 0,5 г сорбента оксида магния с размером частиц 1-4 мм и добавляли 10 мл раствора цинка (Zn²⁺) в с концентрацией 100 мг/л виде сульфата периодически перемешивали встряхиванием, выдерживали при комнатной температуре в течение 3,5 часов. Отделяли раствор от осадка фильтрованием в течение 4 мин., в фильтрате химанализом определили 20 мг/л цинка, статическая сорбционная емкость 1,6 мг/г.

Степень извлечения 80%. Продолжительность фильтрации отработанных сорбентов по примерам 2 и 3 снижается по сравнению с исходным продуктом.

Таким образом, предложенный способ позволяет упростить технологию, повысить статическую сорбционную емкость (эффективность), снизить затраты, расширить ассортимент сорбентов.

Перечень источников информации принятых во внимание при экспертизе

1. Яковлев С.В. и др. Очистка производственных сточных вод: Учебн. пособие. М. Стройиздат, 1979 г., 320 с, С.124.

2. Авторское свидетельство СССР №1498551, 1987, B01j ²⁰/₂₂.

3. Синельцев А.А., Губина Т.Н. Адсорбция катионов Fe²⁺, Mn²⁺, Cu²⁺, Cd²⁺ гранулированные глауконитовыми сорбентами // Известия Саратовского университета. Сер. Химия, биология, экология, 2016. Т.16 вып.3, С.257-262.

4. Цеолитсодержащие породы Татарстана и их применение / под редакцией А.В. Якимова и А.И. Бурова. Казань, Изд. ФЭН, 2001, 176 с.