×
31.05.2019
219.017.7199

Способ сорбционной очистки водных сред от органических веществ и ионов тяжелых металлов

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к способам интенсификации сорбционных процессов путем воздействия внешних электромагнитных полей, а именно к способу электроуправляемой сорбции органических загрязнений, нефтепродуктов, пестицидов, ядохимикатов, солей тяжелых металлов, нитратов, нитритов и т.п. Указанный технический результат достигается тем, что согласно заявляемому способу сорбционной очистки водных сред от органических веществ и ионов тяжелых металлов целевой раствор, подлежащий очистке, пропускают через сорбционную ячейку, содержащую фильтрующий элемент с навеской сорбента. Также в ячейке располагаются два изолированных электрода, на которые подается напряжение в диапазоне от 5 до 150 В. Сорбенты перед процессом сорбции подвергают поверхностному наноуглеродному модифицированию, включающему: 1) пропитку раствором веществ-прекурсоров - катализатором синтеза углеродных нанотрубок (УНТ); 2) последовательную ступенчатую сушку и отжиг пропитанного материала; 3) газофазное химическое осаждение УНТ на подготовленном образце в реакторе периодического действия. Реализация заявленного способа позволяет обеспечить: а) увеличение эффективности сорбции наномодифицированных углеродных материалов по отношению к ионам тяжелых металлов и органическим примесям; б) увеличение степени взаимодействия извлекаемых молекул загрязнителя с сорбционно-активными центрами наномодифицированного материала-поглотителя за счет подбора эффективных параметров электромагнитного поля, воздействующего на процесс извлечения. 4 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к способам обработки водных растворов, а именно к способу интенсификации сорбционных процессов внешнем электромагнитным полем. Это позволяет значительно увеличить сорбционную активность используемых материалов по извлечению органических загрязнений, нефтепродуктов, пестицидов, ядохимикатов, солей тяжелых металлов, нитратов, нитритов и т.п.из водных растворов.

Известен способ очистки воды от тяжелых металлов с помощью электросорбции (US Patent №5690806 МПК С25С 1/00; С25С 7/00; С25С 001/08; С25С 001/12; С25С 001/20; С25С 007/04, 1997). Очистку воды осуществляют с помощью электрохимического восстановления катионов тяжелых металлов на катоде из волокнистых углеродных материалов с высокоразвитой поверхностью.

Недостатками известного способа являются большой расход электроэнергии, низкая эффективность очистки и невозможность удаления органических веществ.

Известен способ очистки воды от органических веществ и ионов тяжелых металлов путем модификации поверхности пористых углеродных сорбентов специальными добавками. Способ получения модифицированного активного угля включает приготовление раствора модификатора, пропитку угля и его сушку. В качестве модификатора используют кверцетин (Quercetin), альгиновую кислоту или ее соли щелочных металлов, причем используют активный уголь с отношением объема микропор к суммарному объему пор 0,3÷0,4, а пропитку ведут водным раствором модификатора при соотношении объемов пропитки и угля 0,8÷1,0. (Патент РФ №2104927, кл. С01В 31/16, B01J 20/20, 1998).

Недостатком этого способа является низкий ресурс работы по катионам тяжелых металлов и низкая степень регенерации сорбента.

Известен способ электрохимически управляемой сорбции растворенных органических веществ и катионов тяжелых металлов (Патент РФ №2110482, МПК C02F 1/46, 1/28, 1998). Очистка воды по этому способу осуществляется на гранулированном активированном угле, который засыпают в электролизер-массообменник, разделенный неэлектропроводной диафрагмой на катодную и анодную камеры, и подвергают периодической электрохимической (катодной и анодной) обработке. Поляризация сорбента осуществляется от внешнего источника при объемной плотности тока 1-10 А/г, а величина потенциала фиксируется при помощи встроенного электрода сравнения.

Недостатками известного способа являются: необходимость предварительной электрохимической обработки сорбента; необходимость постоянного контроля величины электрического потенциала сорбента; высокая энергоемкость процесса предварительной электрохимической обработки сорбента (анода и катода) и необходимость использования для этого специального электролита; прерывистый режим работы устройства, связанный с периодической поляризацией сорбента и отмывкой его от электролита.

Известен принятый за прототип способ управляемой электросорбции органических веществ и тяжелых металлов из водных растворов, согласно которому водные растворы, подлежащие очистке, пропускают через катод и анод из пористых углеродных сорбентов с последующей их регенерацией в процессе работы (Пат. РФ №2181107, МПК C02F 1/46, C02F 1/28, C02F 1/46, C02F 101/16, C02F 101/20, C02F 101/30, 2002). В качестве катода и анода используют блоки из пористого углеродного сорбента, термоскрепленного полимерным связующим, и поляризуют их во время очистки постоянным напряжением 0,5-5,0 В в расчете на 1 кг массы блока. Скорость потока водного раствора поддерживают в диапазоне 50-500 л/ч, а регенерацию проводят путем смены знака поляризации на противоположный постоянным напряжением 10-20 В в расчете на 1 кг массы блока.

Недостатком этого способа является уменьшение поверхности контакта между сорбентом и очищаемой средой за счет термоскрепления.

Задачей изобретения является увеличение степени взаимодействия извлекаемых молекул загрязнителя с сорбционно-активными центрами наномодифицированного материала-поглотителя за счет подбора эффективных параметров электромагнитного поля, воздействующего на процесс извлечения.

Технический результат - оптимизация процесса очистки загрязненной воды за счет подбора наиболее эффективного напряжения, подаваемого на наномодифицированный сорбент; снижение удельных энергозатрат.

Указанный технический результат достигается тем, что согласно заявляемому способу сорбционной очистки водных сред от органических веществ и ионов тяжелых металлов, целевой раствор, подлежащий очистке, пропускают через сорбционную ячейку, содержащую фильтрующий элемент с навеской сорбента. Также, в ячейке располагаются два изолированных электрода, на которые подается напряжение в диапазоне от 5 до 150 В. Сорбенты перед процессом сорбции подвергают поверхностному наноуглеродному модифицированию, включающему: 1) пропитку раствором веществ-прекурсоров - катализатором синтеза УНТ; 2) последовательную ступенчатую сушку и отжиг пропитанного материала; 3) газофазное химическое осаждение УНТ на подготовленном образце в реакторе периодического действия.

В качестве адсорбента используют наномодифицированные угли различной химической природы (например, уголь активный кокосовый или каменноугольный).

Методика получения наномодифицированного пористого сорбента включает следующие технологические стадии:

1) пропитывают следующим каталитическим составом веществ-прекурсоров, масс. %:

Со(NO3)2⋅6H2O - кобальт азотно-кислый 6-водный - 1.5;

Ni(NO3)2⋅6H2O - никель азотно-кислый 6-водный - 13.3;

Mg(NO3)2⋅6Н2О - магний азотно-кислый 6-водный - 16.2;

C6H8O2 - лимонная кислота - 43.9;

С2Н6О2 - этиленгликоль - 14.1;

Н2О - вода - 11.

После пропитки материал выдерживают при температуре 80-100°С в течение 3 часов для образования пространственной структуры геля на поверхности гранул сорбента, после чего подвергают сушке при 140-150°С в течении 1 часа для завершения процесса гелеобразования. Затем отжигают при температуре 500-600°С в инертной атмосфере в течение 1 часа для образования ксерогеля. Таким образом, в результате осуществления вышеописанных стадий, гранулы сорбента покрыты оксидами металлов, которые после восстановления будут являться центрами роста УНТ.

2) помещают пропитанный по п. 1 сорбент в емкостной реактор периодического действия, где проводят процесс синтеза УНТ. Подвергают программному нагреву до 650°С в среде инертного газа - аргона, для нейтрализации кислородсодержащей среды. Путем подачи в реакционное пространство пропанобутановой смеси давлением ~ 1 атм., осуществляют процесс синтеза УНТ в течение 1 часа.

3) охлаждают до комнатной температуры реакционное пространство в среде инертного газа для предотвращения деструкции наноуглерода.

4) проводят окислительную обработку синтезируемого материала 30%-м раствором концентрированной азотной кислоты для удаления аморфного углерода и частиц непрореагировавшего катализатора.

5) промывают от остатков кислоты и сушат при температуре 120°С в течение 1,5 часов для удаления влаги.

Реализация предлагаемого способа осуществляется по принципиальной электрической схеме экспериментальной установки сорбционной очистки воды, приведенной на фиг. 1. Переменное напряжение (220 В) через двухполюсный автоматический выключатель (SA) с защитой от короткого замыкания и перегрузки подается на разделительный трансформатор (Т1). Разделительный трансформатор имеет коэффициент трансформации равный 1, и включается в схему из соображений обеспечения безопасности при проведении исследований. После разделительного трансформатора (Т1) безопасное напряжение, поступает на лабораторный автотрансформатор (Т2), который варьирует напряжение в диапазоне от 0 до 220 В. Выход лабораторного автотрансформатора соединен с выпрямительным мостом, состоящим из четырех диодов (VD1-VD4). Для сглаживания полуволн выпрямленной синусоиды в схему параллельно нагрузке введен электролитический конденсатор. Напряжение на электродах устанавливают с помощью лабораторного автотрансформатора (Т2) по показаниям вольтметра (V), а величину тока оценивают с помощью амперметра (А).

Проверка предлагаемого способа выполнялась на экспериментальном стенде, схема которого отражена на фиг. 2.

Перечень позиций, указанных на чертеже:

1 - двухполюсный выключатель;

2 - разделительный трансформатор;

3 - лабораторный автотрансформатор;

4 - диодный мост с конденсатором;

5 - цифровой амперметр;

6 - соединительные провода;

7 - кран слива воды;

8 - соединительный патрубок

9 - кран отбора образцов;

10 - электроды;

11 - фильтрующий элемент;

12 - корпус фильтра;

13 - впускной кран;

14 - цифровой вольтметр;

15 - водяной счетчик.

Экспериментальный стенд соединен с электрической сетью через двухполюсный выключатель 1, разделительный трансформатор 2 и лабораторный автотрансформатор 3, через которые напряжение подается на диодный мост с конденсатором 4. Эти приборы через цифровой амперметр 5 и цифровой вольтметр 14 соединительными проводами 8 соединены с электродами 10, имеющими изолированную поверхность, помещенными в фильтрующий элемент 11, заключенный в корпус фильтра 12. Корпус фильтра 12 соединен соединительными патрубками 8 на входе через впускной кран 13 с водяным счетчиком 15, а на выходе с краном слива воды 7 и краном отбора образцов 9.

В процессе экспериментальных исследований было установлено, что напряжение влияет на сорбционные свойства материала прямо пропорционально в диапазоне от 5 до 100 В, повышение напряжения выше 100 В сопровождается снижением эффективности работы всех исследуемых наномодифицированных сорбентов.

Пример 1

При пропускании водных растворов ионов Pb2+и Cu2+с начальной концентрацией 125 мг/л и объемом 5 л через сорбционную ячейку, содержащую навеску наномодифицированного сорбента массой 0,02 кг при скорости фильтрации 50 л/час и напряжении поляризации 100 В установлено, что степень извлечения по свинцу составила 98%, по меди - 96%. Анализ содержания ионов в растворе выполняли методом Зеемановской поляризационной спектроскопии с высокочастотной модуляцией, реализуемым в атомно-абсорбционной спектрометрии. Установлено (Фиг. 3), что адсорбционная емкость наномодифицированного образца в сравнении с исходным материалом возросла в 0,4-0,8 раза, а воздействие электромагнитного поля способствовало увеличению адсорбции в 2-2,2 раза относительно стандартного сорбента. При этом время наступления сорбционного равновесия в присутствии модифицированного образца сократилось в 2 раза наряду с исходным.

Пример 2

При пропускании водного раствора органического красителя - гелиантина, с начальной концентрацией 1500 мг/л и объемом 5 л через сорбционную ячейку, содержащую навеску наномодифицированного сорбента массой 0,02 кг при скорости фильтрации 50 л/час и напряжении поляризации 100 В установлено, что степень извлечения составила 95%. Измерение концентрации раствора производят, используя стандартную методику спектрофотометрического анализа.

Результаты проведенных экспериментальных исследований по оценке сорбционной емкости сорбентов по отношению к органическому красителю изображены на Фиг. 4. Установлено, что реализация процесса поглощения под воздействием электромагнитного поля позволяет в 2-2,5 раза повысить сорбционную емкость материала, а также значительно увеличить его сорбционную активность. Следует отметить, что процесс наномодифицирования позволяет увеличить максимальную сорбционную емкость материала в 1,5-2 раза.

Таким образом, проведение процесса сорбции под воздействием электромагнитного поля на наномодифицированных углеродных сорбентах при минимальных затратах электроэнергии и простом аппаратурном оформлении является перспективным решением многих экологических проблем, что позволит сократить негативное влияние антропогенных факторов на гидросистему.

Фиг. 1 Принципиальная электрическая схема экспериментальной установки сорбционной очистки воды.

Фиг. 2 Схема экспериментальной установки.

Фиг. 3 Кинетические зависимости сорбции ионов меди из водных растворов:

1) «NWC» - стандартный образец активированного кокосового угля;

2) «NWC-модифиц.» - наномодифицированный уголь без воздействия внешнего поля; 3) «NWC-модифиц. (100 В)» - наномодифированный уголь при напряжении поля 100 В.

Фиг. 4 Кинетические зависимости сорбции метиленового оранжевого из водных растворов: 1) «NWC» - стандартный образец активированного кокосового угля; 2) «NWC-модифиц.» - наномодифицированный уголь без воздействия внешнего поля; 3) «NWC-модифиц. (100 В)» - наномодифированный уголь при напряжении поля 100 В.


Способ сорбционной очистки водных сред от органических веществ и ионов тяжелых металлов
Способ сорбционной очистки водных сред от органических веществ и ионов тяжелых металлов
Способ сорбционной очистки водных сред от органических веществ и ионов тяжелых металлов
Способ сорбционной очистки водных сред от органических веществ и ионов тяжелых металлов
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 1-10 of 118 items.
13.01.2017
№217.015.8551

Перекрытие здания, сооружения

Предложение относится к области строительства и может быть использовано при возведении жилых, общественных и административных зданий и сооружений, а также при их восстановлении или реконструкции. Технический результат предложения заключается в сокращении трудо- и материалозатрат и обеспечении...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002603106
Дата охранного документа: 20.11.2016
13.01.2017
№217.015.88f8

Интегратор постоянного напряжения

Изобретение относится к вычислительной и информационно-измерительной технике. Технический результат - способность определять не только интегральное значение входного сигнала, но и скорость его изменения. Интегратор постоянного напряжения содержит генератор 1 импульсов, двоичный счетчик 2,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002602675
Дата охранного документа: 20.11.2016
13.01.2017
№217.015.8932

Устройство для регистрации суммарного значения параметра

Изобретение относится к измерительной технике. Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение быстродействия и надежности работы устройства. Устройство для регистрации суммарного значения параметра содержит датчик параметра и усилитель, а также последовательно соединенные...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002602673
Дата охранного документа: 20.11.2016
25.08.2017
№217.015.b128

Способ измерения теплофизических свойств анизотропных материалов методом линейного импульсного источника теплоты

Изобретение относится к области исследования теплофизических характеристик анизотропных материалов. Заявлен способ измерения теплофизических свойств анизотропных материалов методом линейного импульсного источника теплоты, заключающийся в том, что образец исследуемого материала изготавливают в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002613194
Дата охранного документа: 15.03.2017
25.08.2017
№217.015.b1d0

Способ определения коэффициента диффузии растворителей в массивных изделиях из капиллярно-пористых материалов

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании процессов массопереноса в капиллярно-пористых материалах для определения коэффициента диффузии растворителей в строительных материалах и конструкциях, а также в пищевой, химической и других отраслях...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002613191
Дата охранного документа: 15.03.2017
25.08.2017
№217.015.b26b

Способ определения удельной теплоемкости сыпучих материалов

Изобретение относится к области технической физики, в частности к тепловым методам исследования материалов. Способ определения удельной теплоемкости сыпучих материалов заключается в том, что герметизируют объем с образцом известной массы, образец приводят в тепловой контакт по плоскости с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002613591
Дата охранного документа: 17.03.2017
25.08.2017
№217.015.b441

Способ охлаждения дыхательной газовой смеси в средствах индивидуальной защиты органов дыхания

Изобретение относится к области спасательной техники, а именно к средствам индивидуальной защиты органов дыхания, преимущественно маятникового типа, работающим на химически связанном кислороде. Дыхательную газовую смесь (ДГС) пропускают между волокнистыми подложками, на которые предварительно...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614028
Дата охранного документа: 22.03.2017
25.08.2017
№217.015.b5ae

Линия приготовления сухой хмелево-тыквенной закваски

Изобретение относится к хлебопекарной промышленности, в частности к производству хлебопекарных заквасок, и может быть использовано в производстве хлеба функционального назначения. Линия предусматривает приготовление двух фаз, фазы порционного приготовления жидкой хмелево-тыквенной закваски и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614364
Дата охранного документа: 24.03.2017
26.08.2017
№217.015.e217

Гидродинамический смеситель

Изобретение относится к устройствам для перемешивания, гомогенизации, эмульгирования жидких сред и может быть использовано для проведения и интенсификации различных физико-химических, гидромеханических, тепломассообменных процессов в системах "жидкость-жидкость". Смеситель содержит корпус с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002625874
Дата охранного документа: 19.07.2017
26.08.2017
№217.015.e4c4

Электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа

Изобретение относится к аппаратам, предназначенным для очистки, разделения и концентрирования растворов электрогиперфильтрационным и электронанофильтрационным методами. Электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа состоит из двух фланцев и камер корпуса с каналами ввода и вывода...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002625668
Дата охранного документа: 18.07.2017
Showing 1-10 of 51 items.
20.02.2013
№216.012.26c5

Способ получения объемного наноструктурированного материала

Изобретение относится к нанотехнологии. Сущность изобретения: в способе получения объемного наноструктурированного материала на подложке электроосаждением металла из электролита на подложку из электропроводного материала, индифферентного по отношению к осаждаемому металлу, на катоде образуют...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002475445
Дата охранного документа: 20.02.2013
20.02.2013
№216.012.27da

Способ идентификации материала в насыпном виде и устройство для его осуществления

Изобретение относится к нанотехнологическому оборудованию и предназначено для идентификации материалов в насыпном виде и экспресс-контроля микромеханических, реологических и микро-электромеханических характеристик продукции, их стабильности на разных стадиях производства продукта и отклонений...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002475722
Дата охранного документа: 20.02.2013
27.09.2013
№216.012.6f48

Многофункциональная добавка к автомобильному бензину и содержащая ее топливная композиция

Изобретение относится к многофункциональной добавке к автомобильному бензину, содержащей антидетонационные и другие компоненты, а также модифицирующую добавку. В качестве модифицирующей добавки используются углеродные наноматериалы (УНМ), предпочтительно в виде многослойных нанотрубок (УНТ) в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002494139
Дата охранного документа: 27.09.2013
10.12.2013
№216.012.88d0

Способ диспергирования наночастиц в эпоксидной смоле

Изобретение относится к области нанотехнологии и может применяться в отраслях машиностроения, транспорта, строительства, энергетики для повышения прочности и ресурса конструкций из металлических, композиционных полимерных и металлополимерных материалов. Способ диспергирования заключается в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002500706
Дата охранного документа: 10.12.2013
10.06.2014
№216.012.cf9d

Электротеплоаккумулирующий нагреватель

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для отопления и терморегулирования. Изобретение позволит снизить энергетические потери и повысить эффективность регулирования мощности нагрева. Электротеплоаккумулирующий нагреватель содержит корпус, теплоаккумулирующее вещество и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002518920
Дата охранного документа: 10.06.2014
27.09.2014
№216.012.f794

Способ функционализации углеродных наноматериалов

Изобретение направлено на получение функционализированных углеродных нанотрубок, обладающих хорошей совместимостью с полимерными матрицами. Углеродные нанотрубки подвергают обработке в парах перекиси водорода при температуре от 80°С до 160°С в течение 1-100 ч. Обработку можно проводить в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002529217
Дата охранного документа: 27.09.2014
20.10.2014
№216.012.ff23

Дисперсия углеродных нанотрубок

Изобретение может быть использовано при изготовлении композитов, содержащих органические полимеры. Дисперсия углеродных нанотрубок содержит 1 мас.ч. окисленных углеродных нанотрубок и 0,25-10 мас.ч. продукта взаимодействия органического амина, содержащего в молекуле по крайней мере одну...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002531171
Дата охранного документа: 20.10.2014
10.01.2015
№216.013.1d6b

Способ получения платинусодержащих катализаторов на наноуглеродных носителях

Изобретение относится к области водородной энергетики, а именно к разработке катализаторов для воздушно-водородных топливных элементов (ВВТЭ), в которых в качестве катализаторов можно использовать платинированные углеродные материалы. Способ получения платинусодержащих катализаторов на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002538959
Дата охранного документа: 10.01.2015
10.04.2015
№216.013.40d3

Способ модифицирования углеродных наноматериалов

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано при получении стабильных дисперсий в органических растворителях и изготовлении полимерных композитов. Углеродные наноматериалы - нанотрубки или графен, частицы которых содержат на поверхности гидроксильные и/или...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002548083
Дата охранного документа: 10.04.2015
20.11.2015
№216.013.9268

Способ озонирования углеродных наноматериалов

Изобретение может быть использовано для получения функционализированных углеродных наноматериалов. Углеродные нанотрубки озонируют в проточном сосуде в присутствии трёхокиси серы или азотной кислоты, ускоряющих воздействие озона на их поверхность. Трёхокись серы или азотную кислоту подают в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002569096
Дата охранного документа: 20.11.2015
+ добавить свой РИД